Нетрадиционный сверхпроводник - Unconventional superconductor

Нетрадиционные сверхпроводники материалы, которые отображают сверхпроводимость который не соответствует ни общепринятому Теория BCS или Николай Боголюбов Теория или ее расширения.

История

Сверхпроводящие свойства CeCu2Si2, типтяжелый фермион, сообщили в 1979 г. Франк Стеглич.[1] Долгое время считалось, что CeCu2Si2 является синглетным сверхпроводником с d-волной, но с середины 2010-х годов это понятие сильно оспаривается.[2] В начале восьмидесятых появилось еще много нетрадиционных, тяжелый фермион сверхпроводники были обнаружены, в том числе UBe13,[3] UPt3 [4] и URu2Si2.[5] В каждом из этих материалов анизотропный характер спаривания определяется степенной зависимостью ядерный магнитный резонанс (ЯМР) скорость релаксации и удельная теплоемкость от температуры. Наличие узлов в сверхпроводящей щели UPt3 было подтверждено в 1986 году из поляризационной зависимости затухания ультразвука.[6]

Первый нетрадиционный триплетный сверхпроводник, органический материал (TMTSF)2PF6, был обнаружен Денис Джером и Клаус Бехгаард в 1979 г.[7] Последние экспериментальные работы Павел Чайкин '' и Майкла Нотона, а также теоретический анализ их данных Андрей Лебедь твердо подтвердили нетрадиционный характер сверхпроводящего спаривания в (TMTSF)2X (X = PF6, ClO4и др.) органических материалов.[8]

Высокотемпературная синглетная d-волновая сверхпроводимость была обнаружена J.G. Беднорз и К.А. Мюллер в 1986 году, который обнаружил, что лантан -на основании купрат перовскит материал LaBaCuO4 развивает сверхпроводимость при критической температуре (Тc) примерно 35K (-238 градусов Цельсия ). Это намного выше самой высокой критической температуры, известной в то время (Тc = 23 K), поэтому новое семейство материалов было названо высокотемпературные сверхпроводники. Беднорц и Мюллер получили Нобелевская премия в области физики за это открытие в 1987 году. С тех пор многие другие высокотемпературные сверхпроводники были синтезированы.

LSCO (Ла2−ИксSrИксCuO4) был открыт в том же году (1986). Вскоре, в январе 1987 г., оксид иттрия, бария, меди (YBCO) было обнаружено Тc 90 K, первый материал, достигший сверхпроводимости выше точки кипения жидкий азот (77 К).[9] Это очень важно с точки зрения технологические приложения сверхпроводимости, потому что жидкий азот намного дешевле, чем жидкий гелий, который требуется для охлаждения обычные сверхпроводники вплоть до их критической температуры. В 1988 г. висмут стронций кальций оксид меди (BSCCO) с Тc до 107 К,[10] и таллий барий кальций оксид меди (TBCCO) (T = таллий) с Тc 125 К. Текущая рекордная критическая температура составляет около Тc = 133 K (-140 ° C) при стандартном давлении, и несколько более высокие критические температуры могут быть достигнуты при высоком давлении. Тем не менее, в настоящее время считается маловероятным, что материалы из купратного перовскита будут иметь сверхпроводимость при комнатной температуре.

С другой стороны, в последние годы были открыты и другие нетрадиционные сверхпроводники. К ним относятся те, которые не обладают сверхпроводимостью при высоких температурах, например, рутенат стронция Sr2RuO4, но которые, как и высокотемпературные сверхпроводники, нестандартны в других отношениях (например, происхождение силы притяжения, приводящей к образованию Куперовские пары может отличаться от постулированного в Теория BCS ). Кроме того, сверхпроводники с необычно высокими значениями Тc но это не купратные перовскиты. Некоторые из них могут быть крайними примерами обычные сверхпроводники (это подозревается в диборид магния, МгБ2, с участием Тc = 39 К). Другие демонстрируют более нестандартные особенности.

В 2008 году новый класс (слоистый оксипниктид сверхпроводники), например LaOFeAs, не содержащие меди.[11][12][13] Оксипниктид самарий кажется, есть Тc около 43 К, что выше прогнозируемого Теория BCS.[14] Тесты до 45Т[15][16] предполагают верхнее критическое поле LaFeAsO0.89F0.11 может быть около 64 T. Некоторые другие сверхпроводники на основе железа не содержат кислорода.

По состоянию на 2009 год, самым высокотемпературным сверхпроводником (при атмосферном давлении) является оксид ртути, бария, кальция, меди (HgBa2Ca2Cu3ОИкс) при 138 К и удерживается купрат-перовскитным материалом,[17] возможно 164 К под высоким давлением.[18]

Недавно были обнаружены другие нетрадиционные сверхпроводники, не основанные на структуре купрата.[19] У некоторых необычно высокие значения критическая температура, Тc, поэтому их иногда еще называют высокотемпературными сверхпроводниками.

Графен

В 2017 г. сканирующая туннельная микроскопия и спектроскопические эксперименты на графен близок к электронно-легированному (нехиральному) d-волновой сверхпроводник Pr2−ИксCeИксCuO4 (PCCO) выявили доказательства необычной сверхпроводящей плотности состояний, индуцированной в графене.[20] Публикации в марте 2018 г. свидетельствовали о нетрадиционных сверхпроводящие свойства бислоя графена где один слой был смещен на «магический угол» 1,1 ° относительно другого.[21]

Текущее исследование

После более чем двадцатилетних интенсивных исследований происхождение высокотемпературной сверхпроводимости все еще не ясно, но кажется, что вместо этого электрон-фонон механизмы притяжения, как в обычных сверхпроводимость, мы имеем дело с подлинными электронный механизмы (например, антиферромагнитные корреляции), и вместо s-волнового спаривания существенны d-волны.

Одна цель всех этих исследований - сверхпроводимость при комнатной температуре.[22]

Вопрос о том, как возникает сверхпроводимость в высокотемпературных сверхпроводниках, является одной из основных нерешенных проблем теоретической науки. физика конденсированного состояния по состоянию на 2016 год. Механизм, который заставляет электроны в этих кристаллах образовывать пары, неизвестен.

Несмотря на интенсивные исследования и многообещающие выводы, объяснение до сих пор ускользает от ученых. Одна из причин этого заключается в том, что рассматриваемые материалы обычно представляют собой очень сложные многослойные кристаллы (например, BSCCO ), что затрудняет теоретическое моделирование.

Возможный механизм

Самой противоречивой темой в физике конденсированного состояния был механизм высоких энергий.Тc сверхпроводимость (ВТСП). Существуют две репрезентативные теории HTS: (См. Также Теория резонирующей валентной связи )

Теория слабой связи
Во-первых, было высказано предположение, что ВТСП возникает в результате антиферромагнитных спиновых флуктуаций в легированной системе.[23] Согласно этому теория слабой связи волновая функция спаривания ВТСП должна иметь dИкс2−у2 симметрия. Таким образом, является ли симметрия волновой функции спаривания d Симметрия или нет, важна для демонстрации механизма HTS в отношении спиновых флуктуаций. То есть, если параметр порядка ВТСП (волновая функция спаривания) не имеет d симметрии, то механизм спаривания, связанный со спиновыми флуктуациями, можно исключить. В туннельный эксперимент (см. ниже), кажется, обнаруживает d симметрия в некоторых HTS.
Модель межслойной связи
Во-вторых, был модель межслойной связи, согласно которому слоистая структура, состоящая из сверхпроводника БКШ-типа (s-симметрии), может сама усиливать сверхпроводимость.[24] Вводя дополнительное туннельное взаимодействие между каждым слоем, эта модель успешно объяснила анизотропную симметрию параметра порядка в ВТСП, а также возникновение ВТСП.[нужна цитата ]

Таким образом, для решения этой нерешенной проблемы было проведено множество экспериментов, таких как фотоэлектронная спектроскопия, ЯМР, измерение теплоемкости и т. Д. К сожалению, результаты были неоднозначными: одни отчеты поддерживали симметрию d для ВТСП, а другие поддерживали s симметрия.[нужна цитата ] Эта мутная ситуация, возможно, возникла из-за косвенного характера экспериментальных данных, а также из-за экспериментальных проблем, таких как качество образца, примесное рассеяние, двойникование и т. Д.

Предыдущие исследования симметрии параметра порядка ВТСП

Симметрия параметра порядка ВТСП изучалась в ядерный магнитный резонанс измерений, а в последнее время фотоэмиссия с угловым разрешением и измерения глубины проникновения микроволн в кристалле ВТСП. Измерения ЯМР исследуют локальное магнитное поле вокруг атома и, следовательно, отражают восприимчивость материала. Они представляли особый интерес для ВТСП-материалов, потому что многие исследователи задавались вопросом, могут ли спиновые корреляции играть роль в механизме ВТСП.

ЯМР измерения резонансной частоты на YBCO показал, что электроны в сверхпроводниках оксида меди спарены в спин-синглет состояния. Это указание на поведение Смена рыцаря, частотный сдвиг, который происходит, когда внутреннее поле отличается от приложенного поля: в нормальном металле магнитные моменты электронов проводимости в окрестности исследуемого иона совпадают с приложенным полем и создают большее внутреннее поле. Когда эти металлы становятся сверхпроводящими, электроны с противоположно направленными спинами соединяются, образуя синглетные состояния. В анизотропном ВТСП измерения методом ЯМР, возможно, показали, что скорость релаксации меди зависит от направления приложенного статического магнитного поля, причем скорость будет выше, когда статическое поле параллельно одной из осей в плоскости оксида меди. Хотя это наблюдение одной группы подтвердило d-симметрию ВТСП, другие группы не смогли ее наблюдать.

Кроме того, измеряя Глубина проникновенияможно исследовать симметрию параметра порядка ВТСП. Глубина проникновения микроволн определяется плотностью сверхтекучей жидкости, экранирующей внешнее поле. В теории БКШ s-волны, поскольку пары могут термически возбуждаться через зазор Δ, изменение плотности сверхтекучей жидкости на единицу изменения температуры происходит по экспоненциальному закону, exp (-Δ /kBТ). В этом случае глубина проникновения также изменяется экспоненциально с температурой. Т. Если в энергетической щели есть узлы, как в d симметрия HTS, электронная пара может быть более легко нарушена, сверхтекучая плотность должна иметь более сильную температурную зависимость, и ожидается, что глубина проникновения будет увеличиваться как степень T при низких температурах. Если симметрия специально dИкс2-у2 тогда глубина проникновения должна линейно изменяться с Т при низких температурах. Этот метод все чаще используется для исследования сверхпроводников, и его применение ограничено в основном качеством доступных монокристаллов.

Фотоэмиссионная спектроскопия также может предоставить информацию о симметрии ВТСП. Рассеивая фотоны на электронах в кристалле, можно снимать энергетические спектры электронов. Поскольку этот метод чувствителен к углу испускаемых электронов, можно определить спектр для различных волновых векторов на поверхности Ферми. Однако в рамках резолюции фотоэмиссионная спектроскопия с угловым разрешением (ARPES) исследователи не могли сказать, идет ли разрыв до нуля или становится очень маленьким. Кроме того, ARPES чувствительны только к величине, а не к знаку разрыва, поэтому он не может определить, станет ли разрыв в какой-то момент отрицательным. Это означает, что ARPES не может определить, имеет ли параметр порядка HTS d симметрия или нет.

Junction эксперимент, поддерживающий d-волна симметрия

Был разработан хитрый экспериментальный план, чтобы преодолеть мутную ситуацию. Эксперимент, основанный на парном туннелировании и квантовании потока в трехзеренном кольце YBa2Cu3О7 (YBCO) был разработан для проверки симметрии параметра порядка в YBCO.[25] Такое кольцо состоит из трех кристаллов YBCO с определенными ориентациями, соответствующими симметрии спаривания d-волн, чтобы вызвать спонтанно генерируемый полуцелый квантовый вихрь в точке встречи трикристалла. Кроме того, в этом эксперименте с трикристаллами учитывалась возможность того, что границы раздела переходов могут быть в чистом пределе (без дефектов) или с максимальным зигзагообразным беспорядком.[25]Предложение об изучении вихрей с половинными квантами магнитного потока в сверхпроводниках с тяжелыми фермионами в трех поликристаллических конфигурациях было сделано в 1987 г. В. Б. Гешкенбейном, А. Ларкиным и А. Бароне в 1987 г.[26]

В первом эксперименте по симметрии спаривания трикристаллов [25]в YBCO четко наблюдалась спонтанная намагниченность кванта половинного потока, что убедительно подтверждает d-волна симметрия параметра порядка в YBCO. Потому что YBCO - это ромбический, он может иметь примесь s-волновой симметрии. Таким образом, при дальнейшей настройке их техники было обнаружено, что примесь s-волновой симметрии в YBCO составляет примерно 3%.[27] Также это продемонстрировали Цуэи, Киртли и др. что было чистое dИкс2-у2 симметрия параметра порядка в четырехугольный Tl2Ба2CuO6.[28]

использованная литература

  1. ^ Стеглич, Ф .; Aarts, J .; Bredl, C.D .; Lieke, W .; Meschede, D .; Franz, W .; Шефер, Х. (1979). «Сверхпроводимость при сильном парамагнетизме Паули: CeCu2Si2». Письма с физическими проверками. 43 (25): 1892–1896. Bibcode:1979ПхРвЛ..43.1892С. Дои:10.1103 / PhysRevLett.43.1892. HDL:1887/81461.
  2. ^ Киттака, Шуничиро; Аоки, Юя; Шимура, Ясуюки; Сакакибара, Тоширо; Сейро, Сильвия; Гейбель, Кристоф; Стеглич, Франк; Икеда, Хироаки; Мачида, Казусигэ (12 февраля 2014 г.). "Многополосная сверхпроводимость с неожиданным дефицитом узловых квазичастиц в $ { mathrm {CeCu}} _ {2} { mathrm {Si}} _ {2} $". Физический[постоянная мертвая ссылка ] Письма с обзором. 112 (6): 067002. arXiv:1307.3499. Bibcode:2014ПхРвЛ.112ф7002К. Дои:10.1103 / PhysRevLett.112.067002. PMID  24580704. S2CID  13367098.
  3. ^ Ott, H.R .; Rudigier, H .; Фиск, З .; Смит, Дж. (1983). "UBe_ {13}: нетрадиционный актинидный сверхпроводник". Письма с физическими проверками. 50 (20): 1595–1598. Bibcode:1983ПхРвЛ..50.1595О. Дои:10.1103 / PhysRevLett.50.1595.
  4. ^ Стюарт, Г. Р .; Фиск, З .; Уиллис, Дж. О .; Смит, Дж. Л. (1984). «Возможность сосуществования объемной сверхпроводимости и спиновых флуктуаций в UPt3». Письма с физическими проверками. 52 (8): 679–682. Bibcode:1984ПхРвЛ..52..679С. Дои:10.1103 / PhysRevLett.52.679.
  5. ^ Palstra, T. T. M .; Меновский, А. А .; Берг, Дж. Ван ден; Dirkmaat, A.J .; Kes, P.H .; Nieuwenhuys, G.J .; Майдош, Дж. А. (1985). "Сверхпроводящие и магнитные переходы в системе тяжелых фермионов URu_ {2} Si_ {2}". Письма с физическими проверками. 55 (24): 2727–2730. Bibcode:1985ПхРвЛ..55.2727П. Дои:10.1103 / PhysRevLett.55.2727. PMID  10032222.
  6. ^ Shivaram, B.S .; Jeong, Y.H .; Розенбаум, Т.Ф .; Хинкс, Д. (1986). «Анизотропия поперечного звука в тяжелофермионном сверхпроводнике UPt3» (PDF). Письма с физическими проверками. 56 (10): 1078–1081. Bibcode:1986ПхРвЛ..56.1078С. Дои:10.1103 / PhysRevLett.56.1078. PMID  10032562.
  7. ^ Jérome, D .; Mazaud, A .; Ribault, M .; Бечгаард, К. (1980). «Сверхпроводимость в синтетическом органическом проводнике (ТМТСФ) 2ПФ 6» (PDF). Journal de Physique Lettres. 41 (4): 95. Дои:10.1051 / jphyslet: 0198000410409500.
  8. ^ Бехгаард, Клаус; Карнейро, Клаус С .; Olsen, Мальте; Расмуссен, Финн; Якобсен, Клаус (1981). «Органический сверхпроводник при нулевом давлении: ди- (тетраметилтетраселенафульвалениум) -перхлорат [(TMTSF) 2ClO4]» (PDF). Письма с физическими проверками. 46 (13): 852. Bibcode:1981ПхРвЛ..46..852Б. Дои:10.1103 / PhysRevLett.46.852.
  9. ^ К. М. Ву; и другие. (1987). «Сверхпроводимость при 93 К в новой смешанной системе соединений Yb-Ba-Cu-O при атмосферном давлении». Phys. Rev. Lett. 58 (9): 908–910. Bibcode:1987PhRvL..58..908W. Дои:10.1103 / PhysRevLett.58.908. PMID  10035069.
  10. ^ Х. Маэда; Ю. Танака; М. Фукутуми и Т. Асано (1988). "Новый высокий-Тc Оксидный сверхпроводник без редкоземельного элемента ». Jpn. J. Appl. Phys. 27 (2): L209 – L210. Bibcode:1988ЯЯП..27Л.209М. Дои:10.1143 / JJAP.27.L209.
  11. ^ Хироки Такахаши, Кадзуми Игава, Казунобу Ари, Йоичи Камихара, Масахиро Хирано, Хидео Хосоно; Игава; Арии; Камихара; Хирано; Хосоно (2008). «Сверхпроводимость при 43 К в слоистом соединении на основе железа LaO.1−ИксFИксFeAs ». Природа. 453 (7193): 376–378. Bibcode:2008Натура.453..376Т. Дои:10.1038 / природа06972. PMID  18432191. S2CID  498756.CS1 maint: несколько имен: список авторов (ссылка на сайт)
  12. ^ "Железо как высокотемпературный сверхпроводник: журнал Scientific American". Sciam.com. 23 апреля 2008 г.. Получено 29 октября, 2009.
  13. ^ Новые высокотемпературные сверхпроводники на основе железа с необычными магнитными свойствами
  14. ^ Оксипниктид самария
  15. ^ Высокотемпературные сверхпроводники открывают дорогу супермагнетикам[постоянная мертвая ссылка ]
  16. ^ Hunte, F .; Jaroszynski, J .; Гуревич, А .; Larbalestier, D.C .; Jin, R .; Сефат, А. С .; McGuire, M.A .; Продажи, B. C .; и другие. (2008). «Двухзонная сверхпроводимость в очень сильном поле в LaFeAsO0.89F0.11 при очень сильных магнитных полях». Природа. 453 (7197): 903–5. arXiv:0804.0485. Bibcode:2008Натура.453..903H. Дои:10.1038 / природа07058. PMID  18509332. S2CID  115211939.
  17. ^ П. Дай, Б. К. Чакумакос, Г. Ф. Сан, К. В. Вонг, Ю. Синь и Д. Ф. Лу (1995). «Синтез и нейтронно-порошковая дифракция сверхпроводника HgBa.2Ca2Cu3О8 + δ заменой Tl ". Physica C. 243 (3–4): 201–206. Bibcode:1995PhyC..243..201D. Дои:10.1016/0921-4534(94)02461-8.CS1 maint: несколько имен: список авторов (ссылка на сайт)
  18. ^ Л. Гао; Y. Y. Xue; Ф. Чен; Q. Xiong; Р. Л. Мэн; Д. Рамирес; К. В. Чу; Дж. Х. Эггерт и Х. К. Мао (1994). «Сверхпроводимость до 164 К в HgBa.2Caм-1CuмО2m + 2 + δ (m = 1, 2 и 3) при квазигидростатических давлениях ». Phys. Ред. B. 50 (6): 4260–4263. Bibcode:1994ПхРвБ..50.4260Г. Дои:10.1103 / PhysRevB.50.4260. PMID  9976724.
  19. ^ Хироки Такахаши, Кадзуми Игава, Казунобу Ари, Йоичи Камихара, Масахиро Хирано, Хидео Хосоно; Игава; Арии; Камихара; Хирано; Хосоно (2008). «Сверхпроводимость при 43 К в слоистом соединении на основе железа LaO1-ИксFИксFeAs ». Природа. 453 (7193): 376–378. Bibcode:2008Натура.453..376Т. Дои:10.1038 / природа06972. PMID  18432191. S2CID  498756.CS1 maint: несколько имен: список авторов (ссылка на сайт)
  20. ^ Ди Бернардо, А .; Millo, O .; Barbone, M .; Alpern, H .; Kalcheim, Y .; Sassi, U .; Отт, А. К .; Фацио, Д. Де; Юн, Д. (19 января 2017 г.). «Сверхпроводимость, инициированная p-волной в однослойном графене на оксидном сверхпроводнике, легированном электронами». Nature Communications. 8: 14024. arXiv:1702.01572. Bibcode:2017НатКо ... 814024D. Дои:10.1038 / ncomms14024. ISSN  2041-1723. ЧВК  5253682. PMID  28102222.
  21. ^ Гибни, Элизабет (5 марта 2018 г.). «Неожиданное открытие графена может раскрыть секреты сверхпроводимости». Новости. Природа. 555 (7695): 151–2. Bibcode:2018Натура.555..151G. Дои:10.1038 / d41586-018-02773-w. PMID  29517044. Физики теперь сообщают, что расположение двух слоев графена толщиной в атом так, чтобы рисунок их атомов углерода был смещен на угол 1,1º, делает материал сверхпроводником.
  22. ^ А. Мурачкин (2004). Сверхпроводимость при комнатной температуре. Cambridge International Science Publishing. arXiv:cond-mat / 0606187. Bibcode:2006 второй мат..6187M. ISBN  1-904602-27-4.
  23. ^ П. Мунту; Балацкий, А .; Сосны, Д .; и другие. (1992). «Теория слабой связи высокотемпературной сверхпроводимости в антиферромагнитно коррелированных оксидах меди». Phys. Ред. B. 46 (22): 14803–14817. Bibcode:1992ПхРвБ..4614803М. Дои:10.1103 / PhysRevB.46.14803. PMID  10003579.
  24. ^ С. Чакраварти; Sudbo, A .; Андерсон, П. У .; Strong, S .; и другие. (1993). «Межслоевое туннелирование и щелочная анизотропия в высокотемпературных сверхпроводниках». Наука. 261 (5119): 337–40. Bibcode:1993Наука ... 261..337C. Дои:10.1126 / science.261.5119.337. PMID  17836845. S2CID  41404478.
  25. ^ а б c К. С. Цуэй; Kirtley, J. R .; Chi, C.C .; Yu-Jahnes, Lock See; Gupta, A .; Shaw, T .; Sun, J. Z .; Ketchen, M. B .; и другие. (1994). «Симметрия пар и квантование потока в трикристаллическом кольце сверхпроводника YBa2Cu3O7-дельта». Phys. Rev. Lett. 73 (4): 593–596. Bibcode:1994ПхРвЛ..73..593Т. Дои:10.1103 / PHYSREVLETT.73.593. PMID  10057486.
  26. ^ В. Б. Гешкенбейн; Ларкин, А .; Barone, A .; и другие. (1987). «Вихри с половинными квантами магнитного потока в тяжелый фермион сверхпроводники ». Phys. Ред. B. 36 (1): 235–238. Bibcode:1987ПхРвБ..36..235Г. Дои:10.1103 / PhysRevB.36.235. PMID  9942041.
  27. ^ Дж. Р. Кертли; Tsuei, C.C .; Ариандо, А .; Verwijs, C.J. M .; Harkema, S .; Hilgenkamp, ​​H .; и другие. (2006). «Фазочувствительное определение симметрии в плоскости зазора в YBa2Cu3O7-дельта с угловым разрешением». Nat. Phys. 2 (3): 190. Bibcode:2006НатФ ... 2..190K. Дои:10.1038 / nphys215. S2CID  118447968.
  28. ^ К. С. Цуэй; Kirtley, J. R .; Ren, Z. F .; Wang, J. H .; Раффи, H .; Li, Z. Z .; и другие. (1997). «Чистая симметрия параметра порядка dx2 - y2 в тетрагональном сверхпроводнике TI2Ba2CuO6 + delta». Природа. 387 (6632): 481. Bibcode:1997Натура.387..481Т. Дои:10.1038 / 387481a0. S2CID  4314494.