Высокотемпературная сверхпроводимость

Высокотемпературная сверхпроводимость (ВТСП, Высокотемпературные сверхпроводники или Высокие-T_c) — сверхпроводимость при относительно больших температурах. Исторически граничной величиной является температура в 30 К, однако ряд авторов под ВТСП подразумевает сверхпроводники с критической температурой выше точки кипения азота (77 К или −196 °C).

Как правило, реализуется в семействе материалов сверхпроводящих керамик с общей структурной особенностью — относительно хорошо разделёнными медно-кислородными плоскостями. Их также называют сверхпроводниками на основе купратов. Температура сверхпроводящего перехода, которая может быть достигнута в некоторых составах в этом семействе, является самой высокой среди всех известных сверхпроводников.

В настоящее время рекордным значением критической температуры T_c =135 K (под давлением T_c=165 K, −109 °C) обладает вещество HgBa₂Ca₂Cu₃O_8+x, открытое в 1993 г. С. Н. Путилиным и Е. В. Антиповым из МГУ. Нормальное (и сверхпроводящие) состояния показывают много общих особенностей между различными составами купратов; многие из этих свойств не могут быть объяснены в рамках теории БКШ. Последовательной теории сверхпроводимости в купратах в настоящее время не существует; однако, проблема привела ко многим экспериментальным и теоретическим результатам, и интерес в этой области — не только в достижении сверхпроводимости при комнатной температуре. Первое соединение из класса высокотемпературных сверхпроводящих купратов La_2-xBa_xCuO₄ открыли Карл Мюллер и Георг Беднорц в 1986 г. За это открытие в 1987 г. им была немедленно присуждена Нобелевская премия.

Любопытно, что сероводород является самым высокотемпературным сверхпроводником из известных на данный момент, при температуре 203 К (-70 °C) и давлении 100 ГПа (около 1.5 миллиона атмосфер). Это было обнаружено исследователями из института имени Макса Планка в 2015 г. Так как требуемое давление очень высоко, практического применения сероводороду в области сверхпроводимости пока не найдено.

Интерметаллиды

В 2001 году открыт сплав MgB₂ (диборид магния) с рекордной для интерметаллидов температурой перехода в сверхпроводящее состояние Т_с= 40 К. Кристаллическая структура этого вещества представляет собой чередующиеся слои бора и слои магния. Слоистость приводит к анизотропии физических свойств, то есть величины электрической проводимости, оптического спектра поглощения, прочности и т. д. различны в плоскости слоёв и в направлении перпендикулярном слоям. Это двухзонное соединение стало первым известным науке сверхпроводником, обладающим сразу двумя сверхпроводящими щелями (двухщелевая сверхпроводимость), что было предсказано теоретически и подтверждено экспериментально. В дырочных квазидвумерных зонах бора (σ-зонах) при переходе в сверхпроводящее состояние в спектре квазичастиц образуется щель Δ_σ (зона запрещённых энергий для одиночных электронов и дырок) со значениями примерно (10-11) мэВ при максимальных Т_с. В трёхмерных зонах магния (π-зонах) также образуется сверхпроводящая щель Δ_π с амплитудой примерно (1,5 — 3) мэВ. Таким образом, в сверхпроводящем MgB₂ сосуществуют два сверхпроводящих конденсата: изотропный трёхмерный (от π-зон магния) и двумерный дырочный (локализованный в слоях бора).

Внесение примесей других атомов в MgB₂, то есть легирование, приводит к понижению критической температуры перехода Т_с. Судя по всему, это соединение имеет оптимизированные для сверхпроводимости характеристики от природы и не поддаётся искусственному «улучшению». При понижении Т_с от 40 К до 10 К величина малой щели Δ_π меняется слабо, а значение большой щели Δ_σ понижается вместе с критической температурой, экспериментаторы отмечают линейную связь между Т_с и Δ_σ. Характеристическое отношение теории БКШ 2Δ_σ/k_BТ_с по оценкам ведущих российских экспериментаторов находится в диапазоне 5-7, что говорит о сильном электрон-фононном взаимодействии в слоях бора и приближает MgB₂ к купратным ВТСП.

Интерес к практическим применениям диборида магния вызван возможностью использовать данный сверхпроводник при охлаждении жидким водородом вместо дорогостоящего жидкого гелия. Развитие технологий синтеза диборида магния позволило создать первые сверхпроводящие МРТ на основе MgB₂ в 2006 году.

Сверхпроводники на основе железа

В 2008 году произошло открытие нового класса сверхпроводящих соединений с высокими значениями критической температуры T_c — слоистых соединений на основе железа и элементов V группы (пниктидов) либо Se, так называемых ферропниктидов или селенидов железа. Впервые было констатировано сверхпроводящее состояние у соединений, содержащих магнитные атомы (Fe). Кристаллическая структура всех железосодержащих сверхпроводников (уже известно 6 семейств) представляет собой чередующиеся слои, в которых атомы железа окружены тетраэдром из атомов As или Se, что подавляет магнитные свойства атомов Fe. На данный момент рекордсменом по значению T_c является соединение GdOFeAs (Gd-1111), допированное фтором, который замещает кислород. Его T_c достигает 55 К.

Все железосодержащие сверхпроводники обладают многозонной структурой и квазидвумерны (проявляют анизотропию свойств в направлении поперёк плоскостей). При переходе в сверхпроводящее состояние в каждой зоне открывается собственная щель в квазичастичном спектре, что приводит к появлению как минимум двух сверхпроводящих конденсатов и многощелевой сверхпроводимости, подобной случаю MgB₂ (диборида магния). Характеристическое отношение теории БКШ 2Δ_{большая}/k_BТ_с по оценкам российских экспериментаторов находится в диапазоне 4,6 — 6.

Органические сверхпроводники

В конце 1960-х — начале 1970-х гг. были большие надежды на синтез органических комплексов с переносом заряда (КПЗ) — например, комплексов en:TCNQ-TTF (тетрацианохинодиметан-тетратиафульвален). Однако, несмотря на синтез ряда перспективных соединений, оказалось, что сверхпроводимость в этих комплексах неустойчива даже при небольших плотностях тока.

Ссылки

• [www.chem.msu.su/rus/teaching/vtsp/01.html Открытие высокотемпературной сверхпроводимости]
• [www.vimi.ru/applphys/2000/1/f3-12.htm Изотопический эффект в ВТСП-соединениях]

Литература

• Максимов Е. Г. [ufn.ru/ru/articles/2000/10/a/ Проблема высокотемпературной сверхпроводимости. Современное состояние] // Успехи физических наук, 2000, т. 170, № 10, c. 1033—1061.
• Садовский М. В. [ufn.ru/ru/articles/2001/5/c/ Псевдощель в высокотемпературных сверхпроводниках] // Успехи физических наук, 2001, т. 171, № 5, c. 539—564.
• Аксенов В. Л. [ufn.ru/ru/articles/2002/6/f/ Нейтронография купратных высокотемпературных сверхпроводников] // Успехи физических наук, 2002, т. 172, № 6, c. 701—705.
• Пономарев Я. Г. [ufn.ru/ru/articles/2002/6/g/ Туннельная и андреевская спектроскопия высокотемпературных сверхпроводников] // Успехи физических наук, 2002, т. 172, № 6, c. 705—711.
• Копаев Ю. В. [ufn.ru/ru/articles/2002/6/h/ Модели высокотемпературной сверхпроводимости] // Успехи физических наук, 2002, т. 172, № 6, c. 712—715.
• Черноплеков Н. А. [ufn.ru/ru/articles/2002/6/i/ Состояние работ по сильноточной прикладной сверхпроводимости] // Успехи физических наук, 2002, т. 172, № 6, c. 716—722.
• Белявский В. И., Копаев Ю. В. [ufn.ru/ru/articles/2004/4/m/ Обобщающий взгляд на природу высокотемпературной сверхпроводимости (по материалам M2S-HTSC-VII)] // Успехи физических наук, 2004, т. 174, № 4, c. 457—465.
• Мицен К. В., Иваненко О. М. [ufn.ru/ru/articles/2004/5/c/ Фазовая диаграмма <math>La_{2-x}M_{x}CuO_{4}</math> как ключ к пониманию природы ВТСП] // Успехи физических наук, 2004, т. 174, № 5, c. 545—563.
• Елесин В. Ф., Капаев В. В., Копаев Ю. В. [ufn.ru/ru/articles/2004/9/h/ Существование ферромагнетизма и неоднородной сверхпроводимости] // Успехи физических наук, 2004, т. 174, № 9, c. 1017—1022.
• Максимов Е. Г. [ufn.ru/ru/articles/2004/9/j/ Высокотемпературная сверхпроводимость сегодня] // Успехи физических наук, 2004, т. 174, № 9, c. 1026—1027.
• Гинзбург В. Л. [ufn.ru/ru/articles/2005/2/f/ Несколько замечаний об изучении сверхпроводимости] // Успехи физических наук, 2005, т. 175, № 2, c. 187—190.
• В. Л. Гинзбург, Д. А. Киржниц [ufn.ru/ru/articles/1987/8/b/ Высокотемпературная сверхпроводимость (обзор теоретических представлений)] // Успехи физических наук, т. 152, с. 575—582 (1987).
• Белявский В. И., Копаев Ю. В. [ufn.ru/ru/articles/2005/2/g/ Первая Международная конференция «Фундаментальные проблемы высокотемпературной сверхпроводимости»] // Успехи физических наук, 2005, т. 175, № 2, c. 191—196.
• Воронов В. К., Подоплелов А. В. Физика на переломе тысячелетий: конденсированное состояние, 2-е изд., М.: ЛКИ, 2012, 336 стр., ISBN 978-5-382-01365-7
• Кордюк А. А. [www.imp.kiev.ua/~kord/papers/box/2014_FNT_Kordyuk.pdf «ARPES-эксперимент в фермиологии квазидвумерных металлов»] // [fntr.ilt.kharkov.ua/fnt_r.html Физика Низких Температур], 2014, т. 40, № 4, c. 375—388.

К:Википедия:Статьи без источников (тип: не указан)

Отрывок, характеризующий Высокотемпературная сверхпроводимость

– Мари проехала через Рязань, – сказала Наташа. Князь Андрей не заметил, что она называла его сестру Мари. А Наташа, при нем назвав ее так, в первый раз сама это заметила.
– Ну что же? – сказал он.
– Ей рассказывали, что Москва вся сгорела, совершенно, что будто бы…
Наташа остановилась: нельзя было говорить. Он, очевидно, делал усилия, чтобы слушать, и все таки не мог.
– Да, сгорела, говорят, – сказал он. – Это очень жалко, – и он стал смотреть вперед, пальцами рассеянно расправляя усы.
– А ты встретилась с графом Николаем, Мари? – сказал вдруг князь Андрей, видимо желая сделать им приятное. – Он писал сюда, что ты ему очень полюбилась, – продолжал он просто, спокойно, видимо не в силах понимать всего того сложного значения, которое имели его слова для живых людей. – Ежели бы ты его полюбила тоже, то было бы очень хорошо… чтобы вы женились, – прибавил он несколько скорее, как бы обрадованный словами, которые он долго искал и нашел наконец. Княжна Марья слышала его слова, но они не имели для нее никакого другого значения, кроме того, что они доказывали то, как страшно далек он был теперь от всего живого.
– Что обо мне говорить! – сказала она спокойно и взглянула на Наташу. Наташа, чувствуя на себе ее взгляд, не смотрела на нее. Опять все молчали.
– Andre, ты хоч… – вдруг сказала княжна Марья содрогнувшимся голосом, – ты хочешь видеть Николушку? Он все время вспоминал о тебе.
Князь Андрей чуть заметно улыбнулся в первый раз, но княжна Марья, так знавшая его лицо, с ужасом поняла, что это была улыбка не радости, не нежности к сыну, но тихой, кроткой насмешки над тем, что княжна Марья употребляла, по ее мнению, последнее средство для приведения его в чувства.
– Да, я очень рад Николушке. Он здоров?

Когда привели к князю Андрею Николушку, испуганно смотревшего на отца, но не плакавшего, потому что никто не плакал, князь Андрей поцеловал его и, очевидно, не знал, что говорить с ним.
Когда Николушку уводили, княжна Марья подошла еще раз к брату, поцеловала его и, не в силах удерживаться более, заплакала.
Он пристально посмотрел на нее.
– Ты об Николушке? – сказал он.
Княжна Марья, плача, утвердительно нагнула голову.
– Мари, ты знаешь Еван… – но он вдруг замолчал.
– Что ты говоришь?
– Ничего. Не надо плакать здесь, – сказал он, тем же холодным взглядом глядя на нее.

Когда княжна Марья заплакала, он понял, что она плакала о том, что Николушка останется без отца. С большим усилием над собой он постарался вернуться назад в жизнь и перенесся на их точку зрения.
«Да, им это должно казаться жалко! – подумал он. – А как это просто!»
«Птицы небесные ни сеют, ни жнут, но отец ваш питает их», – сказал он сам себе и хотел то же сказать княжне. «Но нет, они поймут это по своему, они не поймут! Этого они не могут понимать, что все эти чувства, которыми они дорожат, все наши, все эти мысли, которые кажутся нам так важны, что они – не нужны. Мы не можем понимать друг друга». – И он замолчал.

Маленькому сыну князя Андрея было семь лет. Он едва умел читать, он ничего не знал. Он многое пережил после этого дня, приобретая знания, наблюдательность, опытность; но ежели бы он владел тогда всеми этими после приобретенными способностями, он не мог бы лучше, глубже понять все значение той сцены, которую он видел между отцом, княжной Марьей и Наташей, чем он ее понял теперь. Он все понял и, не плача, вышел из комнаты, молча подошел к Наташе, вышедшей за ним, застенчиво взглянул на нее задумчивыми прекрасными глазами; приподнятая румяная верхняя губа его дрогнула, он прислонился к ней головой и заплакал.
С этого дня он избегал Десаля, избегал ласкавшую его графиню и либо сидел один, либо робко подходил к княжне Марье и к Наташе, которую он, казалось, полюбил еще больше своей тетки, и тихо и застенчиво ласкался к ним.
Княжна Марья, выйдя от князя Андрея, поняла вполне все то, что сказало ей лицо Наташи. Она не говорила больше с Наташей о надежде на спасение его жизни. Она чередовалась с нею у его дивана и не плакала больше, но беспрестанно молилась, обращаясь душою к тому вечному, непостижимому, которого присутствие так ощутительно было теперь над умиравшим человеком.


Князь Андрей не только знал, что он умрет, но он чувствовал, что он умирает, что он уже умер наполовину. Он испытывал сознание отчужденности от всего земного и радостной и странной легкости бытия. Он, не торопясь и не тревожась, ожидал того, что предстояло ему. То грозное, вечное, неведомое и далекое, присутствие которого он не переставал ощущать в продолжение всей своей жизни, теперь для него было близкое и – по той странной легкости бытия, которую он испытывал, – почти понятное и ощущаемое.
Прежде он боялся конца. Он два раза испытал это страшное мучительное чувство страха смерти, конца, и теперь уже не понимал его.
Первый раз он испытал это чувство тогда, когда граната волчком вертелась перед ним и он смотрел на жнивье, на кусты, на небо и знал, что перед ним была смерть. Когда он очнулся после раны и в душе его, мгновенно, как бы освобожденный от удерживавшего его гнета жизни, распустился этот цветок любви, вечной, свободной, не зависящей от этой жизни, он уже не боялся смерти и не думал о ней.
Чем больше он, в те часы страдальческого уединения и полубреда, которые он провел после своей раны, вдумывался в новое, открытое ему начало вечной любви, тем более он, сам не чувствуя того, отрекался от земной жизни. Всё, всех любить, всегда жертвовать собой для любви, значило никого не любить, значило не жить этою земною жизнию. И чем больше он проникался этим началом любви, тем больше он отрекался от жизни и тем совершеннее уничтожал ту страшную преграду, которая без любви стоит между жизнью и смертью. Когда он, это первое время, вспоминал о том, что ему надо было умереть, он говорил себе: ну что ж, тем лучше.
Но после той ночи в Мытищах, когда в полубреду перед ним явилась та, которую он желал, и когда он, прижав к своим губам ее руку, заплакал тихими, радостными слезами, любовь к одной женщине незаметно закралась в его сердце и опять привязала его к жизни. И радостные и тревожные мысли стали приходить ему. Вспоминая ту минуту на перевязочном пункте, когда он увидал Курагина, он теперь не мог возвратиться к тому чувству: его мучил вопрос о том, жив ли он? И он не смел спросить этого.

Болезнь его шла своим физическим порядком, но то, что Наташа называла: это сделалось с ним, случилось с ним два дня перед приездом княжны Марьи. Это была та последняя нравственная борьба между жизнью и смертью, в которой смерть одержала победу. Это было неожиданное сознание того, что он еще дорожил жизнью, представлявшейся ему в любви к Наташе, и последний, покоренный припадок ужаса перед неведомым.
Это было вечером. Он был, как обыкновенно после обеда, в легком лихорадочном состоянии, и мысли его были чрезвычайно ясны. Соня сидела у стола. Он задремал. Вдруг ощущение счастья охватило его.
«А, это она вошла!» – подумал он.
Действительно, на месте Сони сидела только что неслышными шагами вошедшая Наташа.
С тех пор как она стала ходить за ним, он всегда испытывал это физическое ощущение ее близости. Она сидела на кресле, боком к нему, заслоняя собой от него свет свечи, и вязала чулок. (Она выучилась вязать чулки с тех пор, как раз князь Андрей сказал ей, что никто так не умеет ходить за больными, как старые няни, которые вяжут чулки, и что в вязании чулка есть что то успокоительное.) Тонкие пальцы ее быстро перебирали изредка сталкивающиеся спицы, и задумчивый профиль ее опущенного лица был ясно виден ему. Она сделала движенье – клубок скатился с ее колен. Она вздрогнула, оглянулась на него и, заслоняя свечу рукой, осторожным, гибким и точным движением изогнулась, подняла клубок и села в прежнее положение.
Он смотрел на нее, не шевелясь, и видел, что ей нужно было после своего движения вздохнуть во всю грудь, но она не решалась этого сделать и осторожно переводила дыханье.
В Троицкой лавре они говорили о прошедшем, и он сказал ей, что, ежели бы он был жив, он бы благодарил вечно бога за свою рану, которая свела его опять с нею; но с тех пор они никогда не говорили о будущем.
«Могло или не могло это быть? – думал он теперь, глядя на нее и прислушиваясь к легкому стальному звуку спиц. – Неужели только затем так странно свела меня с нею судьба, чтобы мне умереть?.. Неужели мне открылась истина жизни только для того, чтобы я жил во лжи? Я люблю ее больше всего в мире. Но что же делать мне, ежели я люблю ее?» – сказал он, и он вдруг невольно застонал, по привычке, которую он приобрел во время своих страданий.
Услыхав этот звук, Наташа положила чулок, перегнулась ближе к нему и вдруг, заметив его светящиеся глаза, подошла к нему легким шагом и нагнулась.
– Вы не спите?
– Нет, я давно смотрю на вас; я почувствовал, когда вы вошли. Никто, как вы, но дает мне той мягкой тишины… того света. Мне так и хочется плакать от радости.
Наташа ближе придвинулась к нему. Лицо ее сияло восторженною радостью.
– Наташа, я слишком люблю вас. Больше всего на свете.
– А я? – Она отвернулась на мгновение. – Отчего же слишком? – сказала она.