Реферати українською » Наука и техника » У залізовмісних надпровідниках виявлений ізотопічний ефект


Реферат У залізовмісних надпровідниках виявлений ізотопічний ефект

Відкриті двох років назад залізовмісні надпровідники відродили інтерес до однієї з самих інтригуючих фізичних проблем сучасності — побудові теорії високотемпературної надпровідності. Головною загадкою по дорозі вирішення цього завдання залишаються невідомі і поняті досі процеси всередині речовини, які відповідають над його надпровідний стан і який дозволяють їй мати високу критичну температуру (температуру переходу із стану в надпровідний). Японські вчені у журналіPhysical Review Letters опублікували експериментальну роботу, результати якої можуть зробити деяку визначеність розуміння цих внутрішніх механізмів надпровідності із високим критичної температурою.

>Кристаллическая решіткаBaFe2As2. Зображення із сайтуnatureasia.com

>Сверхпроводимость характеризується відсутністю електричного опору і ідеальнимдиамагнетизмом (абсолютнимнепроникновением магнітного поля всередину матеріалу). Вона виникає в речовин, які мають температуру нижче певного, характерного лише них значення. Така температура називається критичної (>Tc).

Хоча надпровідність було відкрито голландським ученимХейке Камерлінг-Оннесом ще й на початку уже минулого століття (в 1911 року), пояснено це явище була лише через приблизно 50 років (в 1957 року).Создателями теорії надпровідності прийнято вважати Джона Бардіна, Леона Купера і ДжонаШриффера. Вони встановили, що речовина стаєсверхпроводящим завдяки об'єднанню електронів провідності парами (іменованікуперовскими) та його подальшої синхронізації. Інакше кажучи, все електрони поводяться як єдине неподільне (жодного з електронів рветься у тому стані показати свою «індивідуальність») і таким чином обтікають без будь-якого опору кристалічну грати речовини.

Появакуперовских пар зумовлено складним взаємодією іонів кристалічною грати та електронів.Электрони обмінюютьсябезмассовими «майже» частинками (>квазичастицами) фононами — квантами коливального руху іонів. «Майже» — оскільки фонони що неспроможні існувати у вільному стані, їхнє життя обмежена кристалічною гратами. Через війну обмінуквазичастицами проміж електронами з'являється тяжіння, що у своє чергу призводить до утвореннякуперовских пар. Описаний процес створеннякуперовских пар отримав назвуелектрон-фононного взаємодії (механізму). Саме це механізм та лежить в основі теорії надпровідності, чи теоріїБКШ, названої як за першими літерами прізвищ її авторів.

Треба сказати, що теоріяБКШ, як будь-який інший фізична теорія, не виникла спонтанним чином. Вона стала результатом послідовних експериментальних і теоретичних досліджень різних учених. Серед цього різноманіття особливо слід виділити публікації англійського фізика ГербертаФрелиха, що у 1950 року першим зазначив істотну роль впливу іонів на електрони у виникненні надпровідності. З своєї ідеї професор зміг вивести висновок у тому, що критична температура у сімействі ізотопів даного надпровідника мусить бути тому пропорційна квадратному корені маси іона М (молекулярної маси), тобтоTc ~M– (значок «~» позначає пропорційність), де = 0,5. Інакше кажучи, що більше молекулярна масасверхпроводящего речовини, тим менший за нього критична температура. Така залежність отримала найменування «>изотопический ефект», чи «>изотоп-еффект». У тому ж року Еммануель Максвелл виявивизотопический ефект визотопах ртуті, що було вагомим доказом правильності гіпотезиФрелиха. Пізнішеизотоп-еффект був і в інших надпровідників (див. таблицю 1).

Таблиця 1.Изотопический ефект у різних надпровідниках

>СверхпроводникМеханизмсверхпроводимостиHg (>ртуть)0,5±0,03фононнийTl (>таллий)0,5±0,1фононнийCd (>кадмий)0,5±0,1фононнийMo (>молибден)0,33±0,05фононний

>La0,89Sr0,11CuO4

(заміна16О на18О)

≈0,07?

>YBa2Cu3O7

(заміна16О на18О)

≈0,02?

*Знак питання означає, що італійські вчені не знають про справжню причину формуваннякуперовских пар і, відповідно до, виникнення надпровідності.

Зазначимо, що у міркуванняхФрелиха йшлося і промоноатомних надпровідниках, тобто матеріалах, освічених вже з хімічного елемента.

Коли 1986-87 роках було виявлено високотемпературна надпровідність вкупратних (>медьсодержащих) з'єднанняхLa0,89Sr0,11CuO4 (>Tc = 40 До) іYBa2Cu3O7 (>Tc = 92 До) та інших., ученим зрозуміли, що яка вже стала класичної теоріяБКШ неспроможна її пояснити.БКШ-теория передбачає існування такої високої критичної температури в речовинах з такою силоюелектрон-фононного взаємодії. Під той, що ні фонони змушують об'єднуватися електрони в високотемпературних надпровідниках (>ВТСП), вказувало і відсутність У цихВТСПизотоп-еффекта по кисню — елементу, що поряд із міддю присутній переважають у всіх відкритих згодом надпровідниках із високимTc. Заміна традиційного кисню16О іншими його ізотопами надзвичайно слабко змінювало критичну температуру (див. таблицю 1).

З того часуизотоп-еффект почали розглядати як незвичайний тест на причетністьфононов до появи надпровідності. Якщо одно чи біля до 0,5, то даному матеріалікуперовские пари (надпровідність) виникають з допомогоюелектрон-фононного тяжіння. Інакше надпровідність викликана іншим механізмом.

Щоб виявити наявність чи відсутністьизотоп-еффекта всверхпроводнике, потрібно визначити показник ступеня залежноTc ~M–.Рассчитать з експериментальних даних нескладно. ОскількиTc ~M–, то герб рівності проміж критичної температурою та величезною кількістю іона виникне, якщо переписати цю залежність у вигляді:Tc =const·M– (>const — це стала величина, константа, що відTc і M залежною).ПродифференцировавTc по M і згадавши визначення похідною функції, одержимо формулу:

,

деM іT відповідають різниці мас іонів і різниці критичних температур, виникає при заміщення іона його ізотопом. З цієї формули, спираючись на експериментальні дані, вчені України та визначають, тобто наявність чи відсутністьизотопического ефекту.

Звісно,изотоп-еффект це не дає прямої відповіді на найважливіший питання високотемпературної надпровідності: що змушує електрони вВТСП об'єднуватись у пари? Але він відіграє враспутивании цієї загадки, зокрема дозволяє визначити щабель причетностіфононов до виникненнякуперовских пар.

З відкриттям в 2008 року залізовміснихВТСП пошуки причин виникнення високотемпературної надпровідності відновилися новою силою. І, звісно, насамперед учених зацікавила величина вкладуелектрон-фононного взаємодії надпровідність «залізних» надпровідників. Буде цей внесок різниться від нуля чи що вона як і зневажливо малий, як й укупратнихВТСП? Одна з імовірних способів вирішення цієї проблеми пов'язані з виявленням (чинеобнаружением)изотопического ефекту об залізо — речовини, об'єднувальні «залізні» надпровідники до одного клас.

Впершеизотоп-еффект в залізовміснихВТСП, а точніше, в полікристалічних з'єднанняхSmFeAsO1–xFx (x = 0,15) зTc = 40 До іBa1–xKxFe2As2 (x = 0,4) зTc = 37 До відкрили групою китайських вчених у 2009 року. Замінюючи атоми природного (найбільш поширеного) заліза56Fe ізотопом54Fe, дослідники з'ясували, що показник ступеня розташовано неподалік від 0,5 і "ймовірно дорівнює 0,35. З результатів експерименту вчені уклали, що частково (частково — оскільки одно ні 0,5, а трохи менше – 0,35)куперовские пари формуються під впливомелектрон-фононного взаємодії, але безперечно, що кількісно той процес класичної теорієюБКШ не описати.

В історії зизотопическим ефектом в залізовмісних надпровідниках мала продовження в нещодавно опубліковану у журналіPhysical Review Letters статті японських ученихInverseIronIsotopeEffect on theTransitionTemperature of the (>Ba,K)Fe2As2Superconductor (доступною також тут). Вони зосередили свою увагуизотоп-еффекте об залізо в полікристалахBa1–xKxFe2As2 — надпровідника, у той ж ефект об залізо досліджували їх китайські колеги.

Аби мінімальної гріхи в підсумкових результатах, автори статті приготували сім наборів зсверхпроводящегоBa1–xKxFe2As2 дві зразка у кожному. Умови їхньої виробництва були цілком ідентичними. різницю полягала в хімічний склад, а точніше, використання під час виготовлення надпровідника поруч із звичайним залізом (>56Fe, в таблиці воно позначений якnFe) його інших стабільних ізотопів:54Fe і57Fe. припустимо, набірS2, з таблиці, є два однаково приготовленихполикристаллаBa1–xKxFe2As2, до складу яких входять ізотопижелеза-54 і 57 відповідно.

Таблиця 2. Критична температура, зрушення критичної температури і показник ступеня визотопическом ефект об залізо залежно від ізотопу Fe, що до складу надпровідних полікристалівBa1–xKxFe2As2

З даних (див. таблицю 2) вчені розрахували показник ступеня і виявили, що, по-перше, він відрізняється від нуля й у середньому дорівнює –0,18. По-друге, і ця сама незвичне, вона має негативний герб, тобто чим важче іон заліза, входить у надпровідник, тим більша критична температура. Переважна більшість надпровідники, як і маютьизотоп-еффектом, то тут для них — позитивне число.

>Возникающее в протиріччя з результатами попередньої роботи зизотоп-еффекту (див. вище) автори статті пояснюють недосконалістю виготовлення полікристалівBa1–xKxFe2As2, наголошуючи на можливу неточність вдопировании досліджуваного речовини атомами калію.

Які висновки роблять із своєї роботи японські експериментатори?Ненулевое значення зазначає, що фонони не можнаскидивать з рахунку теоретично надпровідності «залізних»ВТСП. Проте негативна величина свідчить, що механізмелектрон-фононного взаємодії, можливо, важчий, ніж описуваний теоретичноБКШ. З те, що загалом одно –0,18, а чи не 0,5, автори статті роблять таке здогад. На думку, в залізовміснихВТСП реалізується екзотичний механізм об'єднаннякуперовских пар: суміш «складнішого»електрон-фононного і обмінного взаємодій. У одній з минулих новин «Елементи» вже писали ймовірній обмінному механізм формування пар електронів. Тому лише нагадаємо, щообменное взаємодія частинок є квантовий (пов'язані з принципом заборони Паулі) аналог електростатичного взаємодії.

Отже, якщо теоретикам вдасться пояснити такий аномальнийизотоп-еффект в «залізних»ВТСП у межах висловленої авторами обговорюваної статті гіпотези про змішаному взаємодії електронів, то ми не виключено, що природа високотемпературної надпровідності може прояснитися як для даного класу надпровідників.

Джерело:Parasharam M.Shirage,KunihiroKihou,KiichiMiyazawa,Chul-Ho Lee,HijiriKito,HiroshiEisaki,TakashiYanagisawa,YasumotoTanaka,AkiraIyo.InverseIronIsotopeEffect on theTransitionTemperature of the (>Ba,K)Fe2As2Superconductor //Phys.Rev.Lett. 103, 257003 (2009).

Список літератури

Для підготовки даної праці були використані матеріали із російського сайтуinformbase.com.ua


Схожі реферати:

Навігація