Квазидвумерная сверхпроводимость: между антиферромагнитным и металлическим состояниями
Сегодня уже получены десятки различных соединений, переходящих в сверхпроводящее состояние при высоких, по сравнению с. рекордом 1973 года, температурах. Некоторые из них вы найдете в таблице, приве- денной на рис. 23.1. ггъ- 200- 180- 160- 120- 100- 80- 60- 40- 20- > Temperature, К Reference temperature Record registered*, at the "Vostok" station in Antarctica Night temperature of lunar surface Oxpgen boiling point Nitrogen boiling point Temperature of Pluto surface Hydrogen boiling point Helium boiling point Superconducting materials HgBa2Ca2Cu3Oa HgBa2CaJ,_1Cu,O,1,.;! Т12Ва,Сап_,Си„О2„+;! YBa2Cu:!Os+l. RbJdX X 3 Nb-jGe Pb Nb Hg. Al, Ga, Zn Critical temperature Гс, К Jf'c = 164 К (under the pressure of 30-106 Pa) с л = 4 7"с= 122 К T =92 К с шах ? IJok 7<=23K Т — 4 9 К С Рис. 23.1: Свойства высокотемпературных сверхпроводников. Общей характеристикой высокотемпературных сверхпроводников является их слоистая структура. В настоящее время, пожалуй, наиболее изученным высокотемпературным сверхпроводником является соединение Y Ваг Сиз С*7. его кристаллическая структура приведена на рис. 23.2. Как 207 хорошо видно, атомы меди и кислорода выстраиваются в плоскости, пе- ремежаемые другими атомами. В результате проводящие слои чередуются с изолирующими, и движение носителей заряда (которыми, как правило, являются дырки, а не электроны) носит так называемый квазидвумерный характер: носители могут легко перемещаться внутри слоев Си О2, в то время как их перескоки на соседние слои происходят сравнительно редко. Куперовские пары также оказываются локализованными именно в этих слоях. Рис. 23.2: Кристаллическая структура сверхпроводящего YBa2Cu3O7 Ва оО Квазидвумерный характер электронного спектра высокотемператур- ных сверхпроводников, по-видимому, является ключевым для понимания микроскопической природы этого замечательного явления, что пока оста- ется делом будущего. Однако уже сегодня создана замечательная по своей красоте феноменологическая теория вихревого состояния высокотемпера- турных сверхпроводников в магнитном поле, которая оказалась настоль- 208 Глава 23. Страсти по сверхпроводимости... ко интересной и богатой различного рода эффектами, что, по сути де- ла, выделилась в самостоятельную область физики — физику «вихревого вещества». И в ней квазидвумерность электронной жизни явилась опре- деляющей. Действительно, ввиду квазидвумерности электронного движения, ви- хри Абрикосова оказываются как бы набранными из элементарных вихрей, локализованных, вслед за куперовскими парами и самими электронами, в проводящих слоях. При низких температурах эти элементарные вихри, по- лучившие на физическом жаргоне название «блинов», благодаря слабому притяжению между ними выстраиваются в линию, а затем уже эти линии формируют вихревую решетку. По мере повышения температуры вихревые линии из-за тепловых флуктуации все больше и больше извиваются, и при некоторой температу- ре решетка плавится, примерно так же, как обыкновенный кристалл. Таким образом в высокотемпературном сверхпроводнике с повышением темпера- туры упорядоченную решетку Абрикосова сменяет неупорядоченная фаза «вихревой жидкости», состоящая из хаотически расположенных, извиваю- щихся и перепутывающихся между собой вихревых линий. Интересно, что при дальнейшем повышении температуры (но находясь все еще в сверх- проводящей фазе) вихревые линии могут «испаряться» — распадаться на элементарные вихри, положения которых в каждом сверхпроводящем слое будут хаотическими и совершенно независимыми от конфигурации вихрей в соседних слоях. Наличие различного рода неоднородностей, неизбежное в реальных кристаллах, еще более усложняет картину переходов между различными вихревыми формами. Хотя в понимании свойств высокотемпературных сверхпроводников за последние годы достигнут значительный прогресс, природа самой вы- сокотемпературной сверхпроводимости остается загадкой. Существует по крайней мере двадцать противоречащих друг другу теорий, претендующих на объяснение высокотемпературной сверхпроводимости, в то время как нужна одна, единственно правильная. Ряд физиков полагает, что куперовские пары в этих сверхпроводниках образуются за счет своего рода магнитного флуктуационного взаимодей- ствия. Указанием на это служит тот факт, что в кристаллах Y Ваг Сиз Об+х с содержанием кислорода меньше номинального (х < 1) критическая тем- пература падает (рис. 23.3; правая кривая), равно как и концентрация свободных электронов. При х < 0, 4 мы уже имеем дело с диэлектри- ком, в котором, однако, при достаточно низких температурах наблюдается магнитное упорядочение атомов меди. Магнитные моменты соседних ато- мов меди оказываются сориентированными антипараллельно, и результи- рующая намагниченность кристалла остается равной нулю. Такого рода 209 магнитный порядок хорошо известен в физике магнетизма и называется антиферромагнитным (см. левую кривую на рис. 23.3; здесь Тц — так называемая температура Нееля1, т. е. температура перехода в антиферро- магнитное состояние). 500 400 300 200 100 0 Рис. К л Dielectric - Antiferro- magnetic 0 0,2 23.3: Фазовая I ¦ 1 > 1 ¦ w ^ Metallic phase i Superconductor 0,4 0,6 0,8 диаграмма Y Ba2 Сиз 0D-*. - - .—o^ - T К 100 50 1,0 X Можно было бы думать, что и в сверхпроводящей фазе атомы меди сохраняют флуктуирующий магнитный момент, который и ответствен в конечном счете за возникновение сверхпроводящего притяжения между электронами. Такого рода механизм связан с особыми свойствами атомов 'Л. Неель (родился в 1904 г.) — французский физик, специалист по магнетизму. Лауреат Нобелевской премии 1970 г. 210 Глава 23. Страсти по сверхпроводимости... меди, которые могут пребывать в магнитном или немагнитном состояниях в зависимости от их валентности. Тот факт, что во всех высокотемпературных сверхпроводниках присут- ствуют слои Си—О, казалось бы, является аргументом в пользу данной те- ории. Однако совсем недавно появилось сообщение о наблюдении призна- ков сверхпроводимости при температуре 90 К в соединении \Уз О Nao,os- Точный состав сверхпроводящей фазы пока не известен, но по крайней мере ясно, что «магических» атомов меди там нет, и вообще ни один из элементов нового высокотемпературного сверхпроводника не обладает магнитными свойствами. В других теориях физики пытаются обобщить тем или иным образом классическую теорию сверхпроводимости, пересматривают сами основы теории металлического состояния, «скрещивают» сверхпроводимость с ан- тиферромагнетизмом в пространстве высшего числа измерений, разделяют спин и заряд носителей, заготавливают куперовские пары загодя, еще выше критической температуры, а также предпринимают иные попытки объяснить необычные свойства высокотемпературных сверхпроводников единым образом. Вызов, брошенный природой, остается без ответа, теоретики по- прежнему не могут прийти к согласию. В поисках истины они создают прекрасные «игрушечные модели», примеряют их к получаемым экспери- ментаторами данным и, не находя полного согласия, бросают, чтобы идти дальше. Часто покинутые игрушки оживают и превращаются в полноправные теории в совершенно неожиданных областях физики.
Ви переглядаєте статтю (реферат): «Квазидвумерная сверхпроводимость: между антиферромагнитным и металлическим состояниями» з дисципліни «Дивовижна фізика»
