Bol získaný supravodič pracujúci pri izbovej teplote. Boli vyriešené dve záhady vysokoteplotnej supravodivosti v kuprátoch Supravodivosť pri izbovej teplote kovovo-dielektrických vrstiev

V prírode je všetko usporiadané oveľa jednoduchšie, ako človek vo svojom myslení predpokladá. Každého napríklad trápi otázka – čo je supravodivosť? Prečo sa vyskytuje v vodičov iba ak nízke teploty ? A tretia otázka - je to možné supravodivosť miestnosti? Zamyslime sa nad tým spoločne.

Pri výrobe moderných magnetov sa zmes potrebných práškov vylisuje do požadovaného tvaru, potom sa vloží do cievky, privedie sa prúd a magnet je hotový. Otázkou je, prečo je energia uložená v tele permanentného magnetu? Aby sme odpovedali na túto otázku, urobme druhý experiment. Zapnuté supravodivé Krúžok v kryostate namotáme drôtom a pripojíme k nabitému kondenzátoru. Keď sa stlačí prúd, a supravodivé prúd a ako v magnete je uložené a zostáva silné magnetické pole dlhé roky. Odpoveď na poslednú otázku je mimoriadne jednoduchá. V permanentnom magnete, keď sa stlačí prúd, podobne supravodivé prúdy, len v objemoch atómov a domén, ktoré vizuálne zisťujeme pomocou železného prášku na póle magnetu a treba si uvedomiť, že to všetko je pri izbovej teplote a vyššej, až po Curieov bod. Pre magnety je táto T curie kritickou teplotou pre stratu magnetizácie, podobne ako u iných supravodič Tc je jasná teplota prechodu na bežný vodič.

Rozvoj vedeckého poznania nemá diaľnicu. Niekedy výskumník, ktorý objavil nový základný smer v poznaní, ho interpretuje v najzjednodušenejšej forme kvôli obmedzeným experimentálnym údajom, ktoré sa dovtedy nazbierali. Okrem toho túto formu, nie vždy správnu, preberajú aj iní podobne zmýšľajúci ľudia a časom získava také detaily a výkonný matematický aparát schopný zamaskovať svoje nedostatky, že vývoj teórie pokračuje automaticky. To sa stalo pri vedení elektrónov Drude, kde energiu vo vodiči prenášajú iba elektróny. V takomto stave sa návrat do pôvodných, správnejších pozícií stáva dosť ťažkým; tréning vykonávaný niekoľkými generáciami núti človeka ísť len vpred až do úplnej slepej uličky, ako sa to stalo s supravodivosť.

Súhlaste s tým, že elektrický prúd je prenos energie pozdĺž vodiča. Elektrón nemôže byť nositeľom energie vo vodičoch, keďže má stály náboj 1,6.10 -19 Coulomb, ktorý sa prirodzene nedá zmeniť, čo vôbec nie je vhodné na prenos energie. Z nejakého dôvodu nikoho netrápi skutočnosť, že elektrón vo vodiči sa pohybuje opačným smerom od mínus do plus, hoci energia (stanovená praxou) ide z plusu do mínusu (ako v atóme - z jadra do elektróny). Okrem toho bolo experimentálne potvrdené, že rýchlosť elektrónu ani v kove nepresahuje 0,5 mm/s a energia vo vodiči sa prenáša rýchlosťou svetla. V synchrotrónových urýchľovačoch nesie rádiofrekvenčná elektromagnetická vlna zväzok elektrónov, ktorý ich urýchľuje, a nie naopak. Tu je úloha lokomotívy vlaku blízko vlny, elektróny sú vozne. Okrem toho sú vonkajšie elektróny atómov vodiča spojené chemickými väzbami a je známe, že pri pohybe prípustného prúdu sa mechanické vlastnosti vodiča nemenia a najviac, čoho sú elektróny schopné, je skok z atóm k atómu. Elektrón dokáže uchovať energiu len v sile (rýchlosti) svojho pohybu a pri brzdení ju uvoľniť vo forme malej chaotickej elektromagnetickej vlny svetla, ktorú vidíme na príklade špirály žiarovky. To isté sa deje v akýchkoľvek vodičoch, čo sa prejaví pri skrate, keď vodič vyhorí jasnou žiarou. A ešte posledná vec. Dokonca Hertz na úsvite elektrotechniky urobil experiment, kde v elektrickom vedení, veľmi názorne, s jednoduchým iskriskom, ukázal, že energia sa prenáša nielen cez drôty, ale hlavne medzi drôtmi, kde sú elektróny zakázané. Funguje tu obyčajná elektromagnetická vlna. Nie je toto všetko presvedčivé? Iba nepochopenie takýchto jednoduchých faktov viedlo k nedostatočnému povedomiu o tomto fenoméne supravodivosť. Odkiaľ pochádza elektromagnetická vlna na prenos energie v drôtoch a supravodičoch podľa Hertza?

V každom vodiči, polovodiči alebo dielektriku sú na vonkajších valenčných elektrónoch tri silné elektromagnetické vlny. Na externých elektrónoch jednoducho neexistujú žiadne iné s takouto silou. Prvá je plazmová elektronika, v skratke – plazmová elektronika. Fyzicky ide o „drvenie“ elektrónov v dôsledku Coulombovho odpudzovania podobných nábojov. Jeho energia sa pohybuje od jedného do niekoľkých elektrónvoltov. Určené na základe skúseností charakteristickými stratami energie. V praxi sa rozlišujú objemové plazmovo-elektronické kmity a povrchové, ktoré sú oproti objemovým menšie približne o odmocninu dvoch.

Rnrnrn rnrnrn rnrnrn

Druhá elektromagnetická vlna na vonkajších elektrónoch je Fermiho energia. Vraj sa nikde experimentálne neurčuje, takže výmysly o ňom sú príliš pestré. V skutočnosti je to energia rotácie vonkajšieho elektrónu ľubovoľného atómu okolo jadra a nič viac a elektrón prijíma Fermiho energiu z jadra, má tiež presne definovanú frekvenciu (E f = hЧ ƒ, kde h je Planckova konštanta, ƒ je frekvencia) a nachádza sa v blízkosti s plazmovou elektronickou energiou, pretože elektróny sú rovnaké - najvzdialenejšie atómy. Energetická poloha plazmového elektrónu a fermiho energie v akejkoľvek látke v optickej spektroskopii je základná absorpčná hrana (alebo základná absorpčná hrana), kde sa detegujú takzvané excitóny (dvojhrbový výbuch energie v spektroskopii). Pre hliník 1,55 eV, pre meď 2,2 eV, pre ytriovú keramiku 1,95 eV. Energie sú vždy blízko, ale nikdy sa nekombinujú ako dva identické indukčne spojené obvody. Ak sú obvody ožiarené frekvenciou, tak v jednom obvode vplyvom zapojenia frekvencia klesá, v druhom stúpa. A ožarovanie vonkajších elektrónov je len jedno – z jadra. Všimnite si, že z nejakého dôvodu majú kovy Fermiho energiu o niečo nižšiu ako plazmová elektrónová energia, zatiaľ čo polovodiče a dielektriká majú Fermiho energiu vyššiu ako plazmová elektrónová energia. To je jediný dôvod, prečo majú kovy sériu pomerne silných bočných frekvencií smerom k nulovej energii, vďaka čomu sú kovy dobrými vodičmi. Ale v polovodičoch a dielektrikách, naopak, nízkofrekvenčné bočné frekvencie klesajú na malé veľkosti (Stokesove frekvencie) a vysokofrekvenčné sú zosilnené (anti-Stokesove frekvencie), takže vedú elektrinu zle. Obrátenie veľkosti týchto dvoch energií, ktoré vzniká tlakom, vysvetľuje prechod dielektrikum - kov.

Tretia elektromagnetická vlna je plazmový ión (iónová plazma). Je zovšeobecňujúcim prvkom všetkých druhov tepelných vibrácií atómov (fonónov). Vo všetkých látkach je jasne určený Ramanovým rozptylom svetla. Všimnite si, že plazmové ióny „vedú“ celý tím rôzne tepelné vibrácie mriežky atómov v látkach (fonónoch), každá zmena tejto energie so sebou nesie zmenu ich hodnôt. V tejto súvislosti je potrebné si všimnúť najmä závislosť pozdĺžnych akustických kmitov (obvyklá rýchlosť zvuku vo vodiči) od iónovej plazmy. Energia iónovej plazmovej vlny nepresahuje 0,1 eV, a preto je jej frekvencia v porovnaní s elektrónovými vlnami nízka.

Všetky tri elektromagnetické vlny vo vodičoch, polovodičoch a dielektrikách sa prirodzene spájajú do jednej vlny. V tichej hmote má vzhľad stojatej vlny. Túto jedinú vlnu v elektrickom vedení nám Hertz ukázal jednoduchým iskriskom a teraz vidí každý školák vo fyzikálnej miestnosti a každý, kto chce, pod vedením vysokého napätia neónová žiarovka. V prípade akéhokoľvek narušenia neutrality, aj v dôsledku náhodného posunu elektrónov vo vodiči, sa vyrúti jediná vlna, aby narušenie odstránila a tým, že vezme elektróny na svoje miesta, obnoví poriadok ako pani v byte. Tento pohyb elektrónov pri nastolení poriadku je odpor, keďže na pohyb berú energiu z jedinej vlny (ako v synchrotrónovom urýchľovači) a keď sa zastavia, vypustia prebytočnú energiu vo forme chaotického žiarenia - tepla. Energia jednej vlny je oslabená množstvom tepelnej emisie elektrónov. Keď nie je čo odniesť, ide do stojacej polohy - hostiteľka odpočíva. K odtrhnutiu inerciálnych elektrónov dochádza aj v Tolman-Stewartovom experimente, ale galvanometrom meriame len napätie jedinej vlny, jej vybudenie. V polovodičoch sme sa čisto experimentálne naučili trochu ovládať jednu vlnu. Privedením napätia na konce kryštálu meníme frekvenčnú polohu plazmovej elektroniky a Fermiho energie smerom k bližším, čo spôsobuje pokles hodnoty odporu. Frekvenčným oddialením oboch energií (zníženie počtu elektrónov v dôsledku aplikácie plusového napätia) zvyšujeme odpor tranzistora. Polovodiče majú elektronické energie, ktoré sú svojou hodnotou najbližšie, a preto ľahšie podliehajú regulácii.

V prírode dochádza k rezonancii týchto troch elektromagnetických vĺn, dvoch elektronických – plazmovo-elektronických a Fermiho – s treťou iónovo-plazmou. Vo fyzike tento fakt známa ako trojvlnová rezonancia. V tomto prípade sa rozdiel vo frekvencii elektronických energií zhoduje s frekvenciou iónovej plazmy. Z teórie je známe; v momente rezonancie sa celková energia troch vĺn striedavo pumpuje do Fermiho, plazmovo-elektronických a iónovo-plazmových vĺn. Keď celková energia vstúpi do iónovej plazmy, potom sa excituje celé spektrum tepelných vibrácií atómov, čo je experimentálne viditeľné z nárastu tepelnej kapacity vo vodičoch. V tomto momente sa zvyšuje aj rýchlosť zvuku, čo znamená, že zvuková vlna približuje atómy k sebe a naťahuje sa navzájom pozdĺž vodiča. Keď sa atómy stlačia medzi nimi, stlačia sa aj elektróny, čím dostávajú z jadier ďalšiu energiu, v momente, keď sa atómy rozchádzajú, uvoľňujú prebytočnú energiu nie chaoticky, ale vo forme kúskov do jedinej elektromagnetickej vlny, ale spolu, vedené; svojou frekvenciou, podľa princípu lasera. Toto pridanie zosilňuje jednu vlnu, ktorá sa prejavuje ako negatívny odpor v polovodičoch.

Je tu ešte jeden mimoriadny faktor, ktorý je mimoriadne dôležitý pre supravodivosť. Príroda to zariadila tak, že akustická vlna stláčania a riedenia atómov medzi sebou je dosť slabá, keďže časť energie sa minie na tvorbu tepla. Ale v určitom momente to môže byť posilnené tepelnými vibráciami samotných atómov, a to aj niekoľkokrát. Toto zosilnenie sa nazýva balistické vibrácie (fonóny), ktoré sa vyskytujú len pri veľmi nízkych teplotách. K zosilneniu dochádza až v momente prenosu tepelných vibrácií z chaotického pohybu do určitých smerov pri ochladzovaní - pozdĺž presne určených osí kryštálu v dôsledku oslabenia iných smerov. Tento faktor je hlavný a určuje začiatok akéhokoľvek supravodivého prechodu. Každý supravodič má vďaka vlastnostiam kryštálovej mriežky striktne svoje vlastné balistické fonóny. To sa ukázalo vo vysokoteplotnej keramike vo forme ostrej anizotropie v prúdovej vodivosti. Teplotné začlenenie týchto oscilácií zosilňuje akustickú vlnu, stláča elektróny silnejšie smerom k jadrám atómov, a preto elektróny ukladajú viac energie a výrazne posilniť spoločné elektromagnetická vlna podobná svetlu v laseri. A z toho rezonančná iónovo-plazmová energia dostáva silné rázy a spôsobuje, že akustická vlna pracuje zúrivejšie. Vytvára sa plnohodnotná pozitívna spätná väzba, ktorá vás núti ukladať sa supravodivéúložné zariadenia poskytujú obrovskú energiu neporovnateľnú so žiadnou predstaviteľnou batériou. Takže v supravodiče máme dva hlavné kompatibilné faktory - vznik silnej jedinej elektromagnetickej vlny na vonkajších elektrónoch a v dôsledku vzniku balistických oscilácií vznik vylepšená spätná väzba energetická komunikácia prostredníctvom akustickej vlny. Elektróny, ktoré v tomto procese dostávajú dodatočnú energiu, sú na svojich dráhach urýchľované a ako dva vodiče so zvýšenými prúdmi v rovnakom smere sú navzájom priťahované proti Coulombovmu odpudzovaniu, až kým sa spin „nezablokuje“ magnetmi. Spinové sily sú extrémne krátke, takže fixujú párovanie dvoch elektrónov len na vzdialenosti rádovo 10 -12 m. spárované elektróny nezasahujú do pohybu jedinej vlny a svojimi de Broglieho vlnami jej neuberajú energiu. A zároveň, neustále pumpované do jadier atómov, prijímajú energiu v impulzoch a potom ju jednomyseľne pumpujú do jedinej vlny, aby ju posilnili. Takýto elektrónový pár je na rozdiel od páru chemickej väzby takmer voľný v priestore a vďaka pólom vlastných prúdových magnetov sa vždy otáča proti vonkajšiemu magnetickému poľu a svojou rotáciou vytvára diamagnetizmus danej látky (vzniká protiprúd v ňom). Experimentálne zistená dĺžka koherencie v supravodiče, a je dĺžkou rezonančnej jedinej elektromagnetickej vlny (obálka zo súčtu troch elektromagnetických vĺn).

Prakticky nie je ťažké tieto úvahy overiť. Pomerne málo látok so silnými diamagnetizmus aj pri izbovej teplote, čo znamená, že tam už funguje jediná vlna, trochu zosilnená rezonanciou a sú tam hotové elektrónové páry (napríklad CuCl, SiC). Je potrebné vziať takúto látku, určiť akustickú frekvenciu a namiesto balistických fonónov na ňu aplikovať ultrazvukové vibrácie dostatočnej sily (vykonať prácu iónovo-plazmovej energie). Táto akcia posilní prácu spätná väzba a spustiť energetický cyklus, výsledok bude umelý supravodič pri izbovej teplote. Je potrebné mať na pamäti, že ak je výkon ultrazvuku nedostatočný, zmení sa iba hodnota odporu vzorky. Je možné, že na tomto princípe fungujú niektoré kryštály s Gunnovým efektom, kde vznikajú silné elektrické oscilácie. Zrejme tam pôsobením priloženého elektrického napätia nad 3 kilovolty vznikajú pri izbovej teplote rovnaké balistické kmity, ktoré sú však z nejakého dôvodu krátkodobé, len na dobu kmitania. Ultrazvuk na malých kryštáloch je možné nahradiť laserovými pulzmi s fermisekundovými časmi.

Podľa vyššie uvedených úvah je možné načrtnúť výrobnú cestu vnútorný supravodič. Pre úspešné fungovanie zvukovej vlny je potrebné odobrať materiál so silnými chemickými väzbami, pomocou prístrojov určiť všetky tri elektromagnetické vlny a zavedením ťažkých alebo ľahkých atómov do kryštálovej mriežky dosiahnuť trojvlnovú rezonanciu. A potom upravte silu spätnej väzby zvukovej vlny, najprv pomocou ultrazvuku (alebo lasera), a potom pomocou experimentu vyviňte metódu pre vzrušujúce balistické vibrácie. Karbid kremíka je na to vhodný a v budúcnosti najlepší supravodivé materiál bude obyčajný uhlík, pretože jeho vločky obsahujú od prírody najsilnejšie chemické väzby, podľa toho, ako sa vyskytuje supravodivosť bude potrebná minimálna energia balistických vibrácií.

Na záver poznamenávame, že supravodič sa líši od všetkých ostatných materiálov vnútornou, rezonančnou jedinou elektromagnetickou vlnou na vonkajších elektrónoch a pracujúcou v tandeme s balistickými vibráciami atómov (fonónov). Dôkazom toho je nedávno experimentálne objavený objemový a povrchový supravodivosť BB-odkaz na publikáciu

Veľmi pekne vám ďakujeme za váš príspevok k rozvoju domácej vedy a techniky!

Medzinárodný tím fyzikov vedený vedcami z Inštitútu Maxa Plancka v Hamburgu dokázal pomocou laserových impulzov spôsobiť krátky posun jednotlivých atómov v kryštálovej mriežke a tým zachovať supravodivosť. Krátke infračervené laserové impulzy umožnili po prvýkrát „spustiť“ supravodivosť v keramickom vodiči pri izbovej teplote.

Fenomén v experimente trvá len niekoľko milióntin mikrosekundy, ale pochopenie princípu supravodivosti pri izbovej teplote môže pomôcť vytvoriť nové typy supravodičov, ktoré spôsobia revolúciu v modernej technológii moderné problémy: umožní vytvárať supervýkonné batérie na napájanie energeticky náročných zariadení, ako sú lasery alebo elektrické pohony, elektromotory a generátory s účinnosťou blízkou 100 %, nové medicínske prístroje, maličké, ale výkonné mikrovlnné žiariče atď.

Supravodivosť sa už používa napríklad v NMR skeneroch, urýchľovačoch častíc a vysokovýkonných relé v elektrárňach. Moderné supravodiče však vyžadujú kryogénne chladenie: kovové na teplotu -273 stupňov Celzia, modernejšie keramické -200 stupňov Celzia. Je zrejmé, že to značne obmedzuje rozšírené používanie supravodivosti, najmä v každodennom živote.

Žiaľ, dlhé roky nebolo možné vytvoriť supravodivosť pri izbovej teplote kvôli špecifickým podmienkam, za ktorých sa vyskytuje. Jeden z najsľubnejších keramických supravodičov YBCO (yttrium baryum medi oxide) má teda špeciálnu štruktúru: tenké dvojité vrstvy oxidu medi sa striedajú s hrubšími medzivrstvami, ktoré obsahujú bárium, meď a kyslík. Supravodivosť v YBCO nastáva pri -180 stupňoch Celzia v dvojitých vrstvách oxidu medi, kde sa elektróny môžu spájať a vytvárať takzvané Cooperove páry. Tieto páry sú schopné vytvoriť „tunel“ medzi rôznymi vrstvami, to znamená prechádzať vrstvami ako duchovia cez steny. Tento kvantový efekt možno pozorovať len pri určitej teplote.

V roku 2013 medzinárodný tím pracujúci v Inštitúte Maxa Plancka zistil, že krátke impulzy IR lasera môžu vyvolať supravodivosť v YBCO pri izbovej teplote na veľmi krátky čas. Povahu tohto javu nebolo možné pochopiť, pomohol len najvýkonnejší röntgenový laser na svete LCLS (USA), ktorý umožňuje „vidieť“ atómovú štruktúru materiálu a ultrakrátke procesy. S jeho pomocou vedci vykonali sériu zložitých experimentov a výsledky svojho objavu zverejnili v Nature.

Ako sa ukázalo, infračervený laserový impulz spôsobuje nielen vibrácie atómov, ale aj zmenu ich polohy v kryštáli. V dôsledku toho sa dvojité vrstvy oxidu meďnatého mierne zhrubnú - 2 pikometre alebo 0,01 atómového priemeru. To zase zvyšuje kvantovú väzbu medzi dvojitými vrstvami do takej miery, že kryštál sa stáva supravodivým pri izbovej teplote v priebehu niekoľkých pikosekúnd.

Supravodivosť pri izbovej teplote: rezonančné budenie atómov kyslíka spôsobuje oscilácie (rozmazané kontúry) medzi dvojitými vrstvami oxidu medi (vrstva modrá, meď žltá, kyslík červená). Laserový impulz spôsobí, že sa atómy na krátky čas stanú nevyváženými, vzdialenosť medzi vrstvami sa zníži a vznikne supravodivosť.

Vedci tak objavili potenciálny spôsob, ako vytvoriť supravodiče, ktoré fungujú pri izbovej teplote. Ak sa teória dokáže premeniť na komerčnú technológiu (a v prípade súčasných nízkoteplotných supravodičov to trvalo asi 20 rokov), pokrok naberie obrovský skok. Benzínové motory áut sa stanú anachronizmom, doba nepretržitej prevádzky smartfónu sa bude počítať nie v hodinách, ale v mesiacoch a nastane rozkvet elektrických lietadiel levitujúcich vlaky a autobusy na magnetickej levitácii.

Táto práca sa začala v roku 1975, počas dokončovania diplomového projektu na Moskovskom inštitúte elektronickej technológie. Potom som chcel vytvoriť aktívny prvok filmu pomocou horúcich elektrónov. Ale keď som sa dozvedel o hypotéze Ginzburg-Kirzhnits, navrhnutej v roku 1963, uvedomil som si, že sendviče, ktoré som musel vytvoriť, presne spĺňali požiadavky tejto hypotézy.

V roku 1957 Bardeen-Cooper-Schrieffer vytvoril teóriu supravodivosti, kde hlavná úloha vo fenoméne supravodivosti bola prisúdená tvorbe párových elektrónov prostredníctvom interakcie s fonónmi a kritická teplota prechodu kovu do stavu supravodivosti je určená určitú charakteristickú teplotu fonónov. Táto charakteristická teplota sa približne rovná Debyeovej teplote fonónov a kritická teplota prechodu kovu do supravodivého stavu je určená vzorcom:

kde g konštanta úmerná sile príťažlivosti medzi elektrónmi. Keďže Debyeova teplota fonónov nemôže prekročiť niekoľko stoviek stupňov, hrubý odhad fonónového mechanizmu supravodivosti v tom čase ukázal, že kritická teplota fonónového mechanizmu nemôže prekročiť 25 °K, Ginzburg - Kirzhnits preto navrhol použiť na párovanie iné častice elektróny, napríklad typ elektrónových excitónov. Pretože Debyeho teplota excitónov môže byť tisíce a dokonca desiatky tisíc stupňov, hrubé teoretické výpočty ukázali, že kritická teplota excitonického mechanizmu pre prechod kovu do supravodivého stavu môže dosiahnuť 300 ° K alebo viac, čo zodpovedá na izbovú teplotu a vyššiu. Takto sa zrodil návrh Ginzburg-Kirzhnitzovho sendviča pre excitačný mechanizmus supravodivosti, ktorý vidíte na obr. 1, aj keď teraz s istotou viem, že v takomto sendviči nikdy nedôjde k párovaniu elektrónov prostredníctvom interakcie s excitónmi.

Obr.1 Sendvič pre excitačný mechanizmus supravodivosti.

Okrem toho môžem povedať, že pri vývoji excitonickej teórie vysokoteplotnej supravodivosti došlo k nepresnostiam vo výpočte funkcií elektrónových vĺn, takže kritická teplota excitónového mechanizmu môže dosiahnuť nielen izbovú teplotu, ale ju aj niekoľkonásobne prekročiť. krát. V tom čase som mal možnosť stretnúť sa s jedným z vývojárov teórie vysokoteplotnej supravodivosti. Keď som sa ho spýtal, či by v štruktúre pozostávajúcej z kovových guľôčok merajúcich niekoľko medziatómových vzdialeností, obklopených tenkou vrstvou dielektrika a stlačených na medziatómové vzdialenosti, mohol vzniknúť excitonický mechanizmus supravodivosti. Odpovedal, že práve v takýchto štruktúrach to treba dodržiavať. Odvtedy začal vytvárať viacvrstvové sendviče, v ktorých hlavná vrstva mala vyššie spomínanú štruktúru. V závere diplomovej práce som zistil, že na viacerých vzorkách sú prúdové skoky v prúdovo-napäťových charakteristikách a ich vodivosť sa pri určitom napätí rádovo mení. Toto je znázornené na obr. Obrázok 3 znázorňuje typickú charakteristiku štruktúr supravodič-izolátor-supravodič.

Obr.2 V.A.H. merané vzorky v roku 1976

Obr. 3 Typické prúdovo-napäťové charakteristiky konštrukcií supravodič izolátor supravodič.

Takéto správanie prúdovo-napäťovej charakteristiky v skúmaných javoch existuje len v štruktúrach supravodič-izolátor-supravodič (S - I -S). Opäť som sa stretol s jedným z vývojárov teórie vysokých teplôt a podarilo sa mi ho presvedčiť, že takéto vlastnosti môžu byť dané štruktúramiS-I-S. Neveril týmto výsledkom, pretože teoreticky dokázali, že je prakticky nemožné implementovať excitačný mechanizmus supravodivosti v praxi, pretože kov musí mať hrúbku 5Å, a to je jedna atómová vrstva, ktorú nie je možné získať. Ale teória je teória a prax zostáva kritériom pravdy.

Myslel som si, že po príchode do Voronežu na pridelenú úlohu môžem okamžite pokračovať v práci. Osud však dopadol inak. A keď som si prečítal článok v roku 1987. o objave supravodivej keramiky, kde sa písalo, keď Müller prišiel do Bednorza a pýtal sa, ako vytvoriť štruktúru pozostávajúcu z kovových guľôčok niekoľkých medziatómových veľkostí, obklopených tenkou vrstvou dielektrika a stlačených na medziatómové vzdialenosti. Odpovedal spekaním keramiky. Takto sa zrodila supravodivá keramika, ktorá vtedy dosahovala 112°K. Potom som si myslel, že čoskoro dosiahne izbovú teplotu. Jediné, čo ma trochu utešilo, bolo, že vzorky neboli získané spekaním keramiky, ale prirodzeným pestovaním v určitých prostrediach. Po tejto správe som úplne opustil supravodivosť. Ale od objavu supravodivej keramiky ubehlo už takmer dvadsať rokov a o objave supravodivosti pri izbovej teplote neprišli žiadne správy.

V decembri 2002 Dostal som nápad ešte raz preskúmať vzorky vyrobené takmer pred 30 rokmi. Prišiel som do garáže, otvoril kufor môjho študenta a priniesol ich do laboratória. A teraz o tom, čo som na nich videl.

Na obr.4 , ryža.5 , ryža.6 , vidíte tri grafy a VAC., Horesemi čonarodený v roku 1976, v strede je typická prúdovo-napäťová charakteristika. pre konštrukcie S-I-S,Na spodku CVC. vzorky namerané v roku 2002

Obr.4 V.A.H. merané v roku 1976

Obr.5 Typické V.A.H. S-I-S štruktúry.

Obr.6 V.A.H. merané v roku 2002

Všetky majú tri charakteristické časti, počnúc vysoká odolnosť, potom keď napätie dosiahne 2Δ / e , skok prúdu a tretí ako pri bežnom razení tunelov v konštrukciách kov-izolátor-kov. Ak sú však získané charakteristiky spojené s fenoménom supravodivosti, potom musí existovať kritická teplota, pri ktorej supravodivosť zmizne. Pri pripájaní vzoriek k zdroju jednosmerného prúdu na charakteristike prúd-napätie. pozoruje sa gestirezná slučka. Okrem toho je šírka gestirézie funkciou teploty a pri kritickej teplote sa rovná nule. Na obr. 7 vidíte závislosť šírky gestirézy od teploty.

Obr. 7. Závislosť šírky gestirézie od teploty: Obr.

a) pri 77 °K, b) pri 300 °K, c) pri 620 °K.

Dá sa predpokladať, že v takýchto zložitých vrstvených sendvičoch môže byť hysterézia spôsobená mobilnými iónmi. V tomto prípade by sa však s klesajúcou teplotou mala šírka gestirézy zmenšovať, pretože pohyblivosť iónov klesá. A v grafoch na obr. 7 vidíme opačný obrázok: s klesajúcou teplotou sa zväčšuje šírka gestirézy, ktorá je typická len pre konštrukcie S-I-S. Na základe týchto výsledkov môžeme konštatovať, že kritická teplota prechodu do supravodivého stavu skúmaných vzoriek je približne 620°K. alebo 350 °C.

Ak sú tieto vzorky supravodivé, potom by na nich mali byť prítomné Josephsonove efekty. Rozdelením vzorky na časti boli identifikované oblasti, kde hrúbka dielektrika medzi kovmi nepresiahla 20 Á. Pri meraní vybraných vzoriek na krivkách, pri aplikácii striedavého napätia s frekvenciou 50 Hz. na obrazovke bola pozorovaná elipsa. Môžete to vidieť na obr. 8

Obr.8. Elipsa na striedavé napätie.

Obr.9. Elipsa plus pulzykrokový generátor.

Ako mi povedal jeden moskovský profesor: elipsa ako elipsa nemá v sebe nič zaujímavé. V skutočnosti má správny geometrický tvar a na samotnej elipse nie je nič zaujímavé. Zaujímavosťou je, ako bol získaný na obrazovke charakterografu. Existujú dva spôsoby, ako získať elipsu: z jedného zdroja signálu cez R-C reťazec alebo z dvoch zdrojov signálu. Prvá možnosť bola simulovaná pomocou počítačového programu. Keď sa elipsa priblížila k vertikálnej alebo horizontálnej osi, elipsa sa zvrhla na priamku. A ako vidíte na obr. 8, elipsa je takmer vodorovná. To znamená, že elipsa bola získaná pomocou dvoch zdrojov signálu. Ak je jedným zdrojom signálu indikátor krivky, potom druhým zdrojom signálu môže byť len skúmaná vzorka. Ak sa pozriete na obr. 9 na inom sledovači kriviek, potom keď je krokový generátor zapnutý, sú na elipse pozorované impulzy krokového generátora. Vzorka sa správa tak, že akýkoľvek signál, ktorý prijme, generuje. Viem, že nie je nič známe o nízkofrekvenčnom generovaní pomocou Josephsonových uzlov. Ale to je ľahké skontrolovať pre tých, ktorí majú možnosť pracovať s týmito prechodmi. Stačí cez kapacitu pripojiť jeden zo supravodičov a na obrazovke krivkového znaku budete pozorovať elipsu a impulzy a akýkoľvek iný signál, ktorý je v krivke použitý.

Na štúdium vzoriek pri jednosmernom prúde bola kapacita odstránená. Vzorka bola pripojená k indikátoru krivky ako zdroj jednosmerného prúdu. Výsledkom bolo, že pri nulovom napätí naprieč vzorkou cez ňu tiekol jednosmerný prúd. Môžete to vidieť na obr. 10. V supravodivosti sa takýto prúd nazýva konštantný supravodivý Josephsonov prúd a je spôsobený tunelovaním Cooperových párov pri porušení ich fázovej koherencie.

Obr. 10. Supravodivé prúd, pri nulovom napätí na vzorke.

Obr. Závislosť supravodivého prúdu od magnetu poliach.

Obr. 12. Kontrolassupravodivé elektrický šok

Ak ide o supravodivý prúd, potom v magnetickom poli by mal poskytnúť difrakčný obrazec. Experiment sa uskutočnil s použitím permanentných magnetov a vzdialenosť medzi magnetom a vzorkou sa menila. Prúd sa meral ako funkcia vzdialenosti medzi magnetom a vzorkou. Získané výsledky môžete vidieť na obr. Naklonenie doľava je podľa teórie supravodivosti spojené s pridaním vlastného magnetického poľa k vonkajšiemu poľu, ku ktorému dochádza pri vysokých prúdoch cez prechod. Chcem hneď povedať, že pri samostatnom skúmaní každej vrstvy, ktorá tvorí sendvič, nebola pozorovaná žiadna z vyššie uvedených charakteristík. Preto sa dá predpokladať, že k tvorbe Cooperových párov dochádza interakciou elektrónov v hlavnej vrstve s časticami v inej vrstve. Možno je to excitonický mechanizmus. A ak je to tak, potom pomocou dodatočnej kovovej elektródy existujúcej v sendviči je možné ľahko ovládať supravodivý prúd. Keď boli impulzy z krokového generátora aplikované na ďalšiu elektródu, na obrazovke grafu krivky sa objavila skupina výstupných charakteristík. Môžete to vidieť na obr. 12. Pripomína skupinu výstupných charakteristík tranzistorov. Preto je možné pomocou efektu riadenia supravodivého prúdu vytvárať aktívne prvky na konverziu a zosilnenie elektrických signálov. Zariadenia vytvorené pomocou tohto efektu budú schopné pracovať pri teplotách od 0°K. až 620°K. a pri frekvenciách nad 100 GHz. Na obr. 12 teda vidíte charakteristiky prvého supravodivého aktívneho zariadenia na konverziu a zosilnenie elektrických signálov.

A teraz o štúdiu absorpcie a emisie mikrovlnných elektromagnetických vĺn. Vzorka bola napojená na krivkový indikátor ako zdroj napätia. Počiatočný rez Josephsonovou križovatkou je možné vidieť na obr.

Obr. 13. Úvodný rez prúdovo-napäťovej charakteristiky.

Obr. 14. Prúdovo-napäťová charakteristika. pri vystavení Mikrovlnné elektromagnetické vlny.

Obr. 15. Štruktúra hlavnej vrstvy.

Na začiatku úseku sa pozoruje hysterézia, ktorej šírka závisí od magnetického poľa. Pri pôsobení magnetického poľa sa šírka gestirézy zväčšuje. Tento prechod bol vystavený mikrovlnám. žiarenia a výsledky sú uvedené na obr. 14. Ako vidíte, v dôsledku absorpcie elektromagnetických vĺn sa vytvoril horizontálny schod. Veľkosť tohto kroku vo voltoch súvisí s frekvenciou ožiarenia, nábojom elektrónu a Planckovou konštantou. Predbežné merania a výpočty Planckovej konštanty ukazujú, že jej hodnota sa zhoduje s tabuľkovou hodnotou s presnosťou 0,02 percenta. Na zlepšenie presnosti, kalibrované meracie prístroje. A teraz o vyžarovaní elektromagnetických vĺn. Ak zvýšite prúd pretekajúci vzorkou, nad hladinou sa vytvoria červenofialové plazmové guľôčky, ktoré zodpovedajú vzduchovej plazme. K tomu dochádza pri intenzite vyžarovaných mikrovĺn. elektromagnetické vlny dosahujú hodnoty postačujúce na ionizáciu molekúl vzduchu. V dôsledku tvorby plazmových guľôčok sa na povrchu vzorky vytvorí stopa, ktorá mierne odhaľuje štruktúru materiálu hlavnej vrstvy sendviča. Môžete to vidieť na obr. 15. Fotografia bola urobená vo veľmi veľké zväčšenie, takže prehľadnosť nie je príliš dobrá.

Teraz poďme diskutovať o získaných výsledkoch. Musel som sa stretnúť s vedcami a odborníkmi. Niektorí z nich sa snažia vysvetliť výsledky získané kontaktnými javmi, hoci neuvádzajú aké. Preto by som chcel povedať, že sa zdá, že zle chápu charakteristiky kontaktných javov a najmä tunelových javov v štruktúrach. S-JE.S-I -S, ale na potvrdenie supravodivosti je potrebné zmerať diamagnetickú susceptibilitu vzoriek, pretože pri prechode do supravodivého stavu sa všetky materiály stávajú silnými diamagnetickými. s tymto suhlasim. Poďme však na túto problematiku z druhej strany. Povedzme, že skúmame diamagnetické vlastnosti materiálov, nepoznáme výsledky uvedené v tejto práci a tieto štruktúry sa k nám dostanú. Zisťujeme na nich silný diamagnetizmus pri izbovej teplote, ako sú supravodiče. Dá sa povedať, že ide o supravodivosť? Samozrejme nie, keďže hlavnou vlastnosťou supravodivosti je, keď sa odpor vodiča stane nulovým. Ak sa pozriete na obr. 10, potom pri nulovom napätí preteká vzorkou prúd. A to len potvrdzuje, že odpor vzorky je nulový. Navyše, všetky Josephsonove efekty sú spojené len s tunelovaním Cooperových párov a v skúmaných vzorkách pozorujeme takmer všetky Josephsonove efekty. To znamená, že možno tvrdiť, že v skúmaných vzorkách existujú Cooperove páry a existencia Cooperových párov je podľa teórie BCS hlavnou podmienkou výskytu supravodivosti. Počas výskumu bola objavená kritická teplota a prúd a vzorky v magnetickom poli sa správajú rovnako ako štruktúry supravodič-izolátor-supravodič. Preto niet pochýb o tom, že kovové guľôčky obklopené tenkou vrstvou dielektrika sú v stave supravodivosti pri izbovej teplote a vyššej. Čo najskôr vykonáme diamagnetické štúdie vzoriek. Niet však pochýb o tom, že diamagnetické vlastnosti vzoriek budú rovnaké ako vlastnosti konvenčných supravodičov, pretože v prírode neexistujú dva rôzne javy, ktoré by vykazovali rovnaké vlastnosti. Ďakujem za tvoju pozornosť. Budem vďačný každému, kto môže poskytnúť podporu a pomoc pri tejto práci.

Literatúra:

1. Ginzburg V.L., Kirzhnits D.A. Problém vysokoteplotnej supravodivosti - M.: Nauka, 1977. – 400 s.

2. Bukkel V. Supravodivosť. – M.: Mir, 1975.-364 s.

3. Solimar L. Tunelový efekt v supravodičoch. – M.: Mir, 1974.- 428 s.

4. Webová stránka Derunov V

Americkí fyzici prišli na správanie elektrónov v takzvanej pseudogap fáze hmoty, ktorá predchádza stavu supravodivosti.

Supravodivosť je úplný zánik elektrický odpor látky na trvalé elektrický prúd pri teplotách pod kritickou hodnotou. Obrovská praktická hodnota supravodičov spočíva v absencii strát elektrickej energie v nich pri prúdení prúdu. Ich širokému použitiu však bráni veľmi nízka kritická teplota. Pre väčšinu látok je blízko absolútnej nule. Do roku 1986 mala najvyššiu teplotu zliatina Nb 3 Ge, ktorej supravodivosť sa vyskytovala pri teplotách pod 23 K (-250°). Preto vznikol dôležitý vedecký problém: nájsť látky, ktoré sa pri vyššej teplote, najlepšie blízkej izbovej teplote, transformujú do supravodivého stavu, čo sa nazýva vysokoteplotná supravodivosť.

V roku 1986 boli objavené vysokoteplotné supravodiče (HTSC) na báze oxidov medi (kuprátov) a v priebehu niekoľkých rokov kritická teplota stúpla na približne 120 K. Tieto látky však majú veľmi zložitú elektronickú štruktúru, čo sťažuje pochopiť, ako prechod do supravodivého stavu, bez ktorého nie je možný vývoj supravodičov pracujúcich pri vyšších teplotách. Odvtedy sa takmer 30 rokov uskutočňovali zložité experimenty na štúdium tejto problematiky.

Konkrétne sa zistilo, že stavu supravodivosti v HTSC predchádza stav nazývaný „fáza pseudogapu“. Tento termín je spojený s charakteristikou energetického spektra elektrónov v látke (toto je názov pre diskrétny súbor povolených energetických hladín elektrónov v atóme). Elektróny s nízkymi energetickými hodnotami sa nachádzajú vo valenčnom pásme, elektróny s vyššou energiou, schopné pohybu v látke, sú vo vodivom pásme. V polovodičoch a dielektrikách sú valenčné pásmo a vodivostné pásmo oddelené rozsahom zakázaných energetických hodnôt nazývaných „medzera“. Aby sa elektrón podieľal na vytváraní prúdu, musí získať energiu, aby preskočil medzeru z valenčného pásma do vodivého pásma. Preto čím väčšia je šírka medzery, tým silnejšie sú izolačné vlastnosti materiálu.

Medzera vzniká aj v supravodičoch, no má inú povahu. Keď nastane supravodivosť, elektróny v blízkosti Fermiho hladiny vytvárajú takzvané Cooperove páry a usadzujú sa na Fermiho úrovni a táto hladina začína oddeľovať medzeru od hladín jednotlivých elektrónov. Fermiho hladina je určená kritickou teplotou.

Ukázalo sa, že pri teplotách nad kritickými teplotami majú HTSC stav s menším počtom nosičov náboja blízko Fermiho úrovne ako v bežnom vodiči. Tento jav sa nazýva „pseudo-medzera“. Tento stav neznámej povahy vyvolal medzi fyzikmi mnoho otázok. Keďže stav pseudomedzery predchádza a čiastočne koexistuje so supravodivosťou (súťaží s ňou), vedci veria, že štúdium tohto stavu pomôže odhaliť tajomstvá HTSC. V posledných rokoch sa tejto problematike venovalo mnoho prác, jedna z nich bola nedávno publikovaná v časopise "veda" .

Fyzici z Brookhaven National Laboratory a Cornell University boli pomocou jedinečného vysoko presného skenovacieho tunelového mikroskopu, ktorý vyvinuli, schopní sledovať detaily premeny kuprátu z izolátora na supravodič prostredníctvom štádia pseudomedzery. Ich experimentálne usporiadanie umožnilo určiť priestorové umiestnenie a smer pohybu elektrónov v materiáli, čo umožnilo objaviť dva nové javy.

V počiatočnom stave je skúmaný kuprát Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8+ δ izolant. Aby sa premenil na HTSC, chemicky sa k nemu pridali atómy kyslíka ako zdroj nosičov náboja (diery). Tento proces sa nazýva doping; ďalšie atómy sú vo vzorci označené ako „+δ“. Fyzici systematicky skenovali materiál počas dlhého časového obdobia na rôznych úrovniach dopingu, aby pozorovali, ako sa správanie a usporiadanie elektrónov zmenilo, keď sa materiál vyvinul do supravodivého stavu.

Keď sa zvýšil počet nosičov náboja (úroveň dopingu), materiál prešiel z dielektrického stavu do fázy pseudogap. Pri nízkej hustote nosiča náboja sa pozoroval pomerne statický obraz. Objavilo sa exotické periodické statické usporiadanie niektorých elektrónov, nazývané „hustotné vlny“ alebo „pruhy“. Tieto vlny vyzerajú ako pruhy „zamrznutých“ elektrónov. Vlny hustoty, podobne ako pohyb elektrónov, sú obmedzené na určité smery. Keď sa počet nábojov ďalej zvyšuje, vedci zistili, že vlny hustoty miznú a elektróny v materiáli sa môžu voľne pohybovať v akomkoľvek smere. Navyše k tomu dochádza na rovnakej úrovni dopingu ako pri vzniku čistej supravodivosti.

"Po prvýkrát experiment priamo spojil zmiznutie hustotných vĺn a súvisiacich defektov mriežky nanometrov s objavením sa voľne prúdiacich elektrónov vo všetkých smeroch potrebných pre neobmedzenú supravodivosť," povedal vedúci autor Seamus Davis. "Tieto nové merania nám konečne ukazujú, prečo sa elektróny v tajomnom stave pseudomedzery tohto materiálu pohybujú menej voľne."

Davis prirovnáva pozorovania k letu nad zamrznutou riekou, kde môžete vidieť statické fragmenty tvorený ľadom, a zároveň zisťovať prietok tekutej vody. Tieto prelety sa opakujú počas celej jari, keď sa zamrznutá vodná cesta postupne topí. V cuprate namiesto zvýšenia teploty vedci zvýšili úroveň dopingu, aby „potopili“ vlny hustoty v určitom kritickom bode.

Tento objav potvrdzuje dlhoročnú myšlienku, že práve vlny hustoty obmedzujú tok elektrónov a zhoršujú maximálnu supravodivosť vo fáze pseudogap. "Statické usporiadanie elektrónov a súvisiace fluktuácie nanometrov zhoršujú voľný tok elektrónov - rovnako ako ľad na rieke zhoršuje tok tekutej vody," hovorí Davis.

Samozrejme, výroba HTSC nie je taká jednoduchá ako topenie ľadu, ale tento objav poskytuje vodítka. Zabránením vzniku statických pásov, keď sa vyskytnú, by mohlo byť nakoniec možné vyrábať materiály, ktoré pôsobia ako supravodiče pri nižších hustotách dopingu a pri výrazne vyšších teplotách, povedal Davis.

— jedinečná nehnuteľnosť niektoré materiály, čo umožňuje prenos elektriny bez odporu, a teda bez strát.

Napriek tomu, že tento efekt bol prvýkrát objavený na začiatku 20. storočia, existuje už dlho. Faktom je, že prvé supravodiče fungovali pri teplotách blízkych absolútnej nule a výskumníci na ich chladenie používali tekuté hélium.

Prvá veľká revolúcia v tejto oblasti nastala asi pred 25 rokmi objavením takzvaných vysokoteplotných supravodičov. Napriek názvu ich ešte bolo potrebné schladiť na veľmi nízke teploty z ľudského hľadiska. Inžinieri sa však pomocou kvapalného dusíka naučili používať supravodivosť v niektorých zariadeniach, napríklad v skeneroch magnetickej rezonancie a urýchľovačoch častíc.

Séria prác, ktoré sa začali v roku 2013, približuje ľudstvo k vytvoreniu vodičov, ktoré vykazujú nulový odpor pri izbovej teplote. Už sme písali, že vedci z Cambridgeskej univerzity ako prví popísali povahu výskytu. Teraz medzinárodný tím fyzikov z Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter (Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie) použil krátke infračervené laserové impulzy na vyvolanie supravodivosti v keramickom materiáli pri izbovej teplote.

Vedci pracovali s bežným vysokoteplotným supravodičom, oxidom ytria-bária-meď, známym ako YBCO. Pri mínus 180 stupňoch Celzia vykazuje nulový odporový efekt.

Jeho kryštály majú zložitú štruktúru: tenké dvojité vrstvy oxidu medi sa striedajú s hrubšími medzivrstvami obsahujúcimi bárium, meď a kyslík. Supravodivosť sa vyskytuje medzi tenkými vrstvami, kde sa elektróny spájajú do takzvaných Cooperových párov. V tomto stave pary prechádzajú vrstvami materiálu, ako duchovia v karikatúrach prechádzajú cez steny.

Pred rokom objavil tím pod vedením Andrey Cavalleriho nezvyčajný efekt ožarovania YBCO laserovými impulzmi. Vedci navrhli, že krátke záblesky svetla na krátke časové obdobie zmenili väzby medzi dvojitými vrstvami oxidu medi. Dôvody výskytu supravodivosti pri izbovej teplote však bolo možné úplne pochopiť až po pripojení „ťažkého delostrelectva“ - najvýkonnejšieho röntgenového lasera na svete (LCLS).

„Najprv sme ako obvykle zasiahli kryštál pulzom infračerveného svetla, čo spôsobilo, že jednotlivé atómy vibrovali,“ vysvetľuje hlavný autor Roman Mankowsky v „Nasledoval krátky röntgenový pulz, pomocou ktorého sme presne určili štruktúru kryštálu vzrušeného materiálu.“

Ukázalo sa, že infračervený záblesk nielenže iniciuje vibrácie atómov v materiáli, ale spôsobuje ich aj zmenu ich polohy v kryštáli. Výsledkom bolo, že vrstvy oxidu meďnatého boli o dva pikometre hrubšie, čo zodpovedá iba jednej stotine priemeru ich atómov.

Zároveň sa vzdialenosť medzi dvoma susednými vrstvami zmenšila o rovnakú vzdialenosť. Tieto zmeny sa môžu zdať nevýznamné, ale aj táto mierna konvergencia stačila na to, aby sa supravodivosť prejavila za priaznivejších podmienok pre vedcov.

Napriek tomu, že efekt trval len niekoľko milióntin sekundy, výsledky práce, publikované v Nature, pomôžu pri hľadaní nových vodičov a spôsobov rozšírenia ich záberu.

Teraz potreba nízkoteplotného chladenia vážne komplikuje rozšírené používanie supravodivosti. Deň, keď už tieto opatrenia nebudú potrebné, bude skutočnou technologickou revolúciou.