Высокотемперату́рная сверхпроводи́мость (ВТСП) — сверхпроводимость при относительно больших температурах, проявляющаяся в некоторых материалах (высокотемпературных сверхпроводниках). 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).

Описание

Явление сверхпроводимости заключается в полной утрате материалом электрического сопротивления при охлаждении ниже характерной для данного материала критической температуры. Особое значение высокотемпературной сверхпроводимости заключается в возможности практического использования без сильного охлаждения или с более дешёвыми и удобными охладителями (жидкими водородом, азотом, метаном), чем необходимый для классических сверхпроводников жидкий гелий.

К 2020 году наиболее высокотемпературными сверхпроводниками при атмосферном давлении являются  — керамики (смешанные оксиды).

Главной целью исследований являются ВТСП-материалы, работающие как минимум при температурах, широко распространённых на Земле (порядка −30 °C), как максимум — при комнатной температуре. Их создание привело бы к революции в энергетике и электронике, где значительной проблемой являются потери на сопротивление проводника.

Нормальное (и сверхпроводящие) состояния показывают много общих особенностей между различными составами купратов; многие из этих свойств не могут быть объяснены в рамках теории БКШ. Чётко сформированной теории сверхпроводимости в оксидных ВТСП в настоящее время не существует; однако, проблема привела ко множеству интересных экспериментальных и теоретических результатов.

Свойства Ограниченность практического применения керамических ВТСП обусловлена тем, что магнитное поле, создаваемое протекающим по ВТСП током, при большой величине приводит к разрушению собственной слоистой структуры проводника и, следовательно, необратимой утрате сверхпроводящих свойств. При этом для сверхпроводящих изделий (как ВТСП, так и классических) достаточно такого нарушения в одной единственной точке, так как возникший дефект мгновенно становится участком с большим сопротивлением, на котором выделяется тепло, что вызывает последовательный нагрев соседних участков, то есть лавинообразный выход из сверхпроводящего состояния всего проводника.

Двойниковая структура и обратимая пластичность высокотемпературных сверхпроводников существенно влияет на их сверхпроводящие характеристики.

История Первыми явление высокотемпературной сверхпроводимости в соединении La2-xBaxCuO4 с критической температурой 35 К открыли сотрудники научного подразделения корпорации IBM Карл Мюллер и Георг Беднорц в 1986 году; за это открытие в 1987 году им была присуждена Нобелевская премия. Смешанные керамики такого типа (перовскиты AMO3) в это же время активно изучались в СССР.

В 1987 году был открыт сверхпроводник YBCO (оксид иттрия-бария-меди), с критической температурой 92 К. Это был первый сверхпроводник, критическая температура которого выше температуры кипения жидкого азота (77 К).

На 2015 год рекордное значение критической температуры 203 K (−70 °C) было достигнуто в сероводороде, помещённом под давление 150 ГПа (1,5 млн атмосфер).

В 2018 году с помощью компьютерного моделирования была предсказана сверхпроводимость сложных гидридов, представляющих собой «легированный» металлический водород при температурах, близких к комнатной, и давлениях порядка 200 ГПа. На основе этой теоретической разработки в 2018—2020 гг. получена сверхпроводимость в гидридах лантана и иттрия при рекордно высоких температурах 245…260 K (−28…−13 °C) и давлениях порядка 1 млн атмосфер, например, декагидрида лантана LaH10±x становится сверхпроводником при охлаждении до 250 K под давлением 188 ГПаСверхпроводимость при комнатной температуре: реванш советской науки // РИА Новости, 23 апреля 2019, у YH₆ сверхпроводящий переход происходит при температуре 227 K и давлении 237 ГПа, у YH9 — при 243 K и 201 ГПа, у ThH10 — при 161 K и 174 ГПа, у ThH9 — 146 K и 170 ГПа. Эти значения в среднем на 30 K меньше предсказанных в моделях, что требует дальнейшего изучения и корректировки моделей. В частности, предсказанная сверхпроводимость соединения Li₂MgH₁₆ при давлении 250 ГПа и температуре 473 K может оказаться также слишком оптимистичной.

В 2020-х перспективными считаются ВТСП на основе палладатов (соединения палладия), которые занимают промежуточное положение между купратами и никелатами и у которых, как считается, идеальная электронная конфигурация для высокотемпературной сверхпроводимостиЗависит от России. Ученые назвали металл будущего // 6.06.2023.

В 2023 году корейские учёные сообщили, что им удалось создать сверхпроводник (что позже не подтвердилось), работающий при температуре 400 K (127 °C) и стандартном атмосферном давлении. Сверхпроводник имеет модифицированную структуру на основе свинцово-апатитового материала и получил обозначение LK-99.

Интерметаллиды

В 2001 году был открыт сплав MgB2 (диборид магния) с рекордной для интерметаллидов температурой перехода в сверхпроводящее состояние = 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 (зона запрещённых энергий для одиночных электронов и дырок) со значениями примерно 10—11 мэВ при максимальных . В трёхмерных зонах магния (π-зонах) также образуется сверхпроводящая щель 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 . Судя по всему, это соединение имеет оптимизированные для сверхпроводимости характеристики от природы и не поддаётся искусственному «улучшению». При понижении от 40 К до 10 К величина малой щели меняется слабо, а значение большой щели Δσ понижается вместе с критической температурой, экспериментаторы отмечают линейную связь между и . Характеристическое отношение теории БКШ 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  — слоистых соединений на основе железа (Fe) и элементов V группы (пниктидов) либо Se, так называемых ферропниктидов или селенидов железа. Впервые было обнаружено сверхпроводящее состояние у соединений, содержащих 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. На данный момент рекордсменом по значению является соединение GdOFeAs (Gd-1111), допированное фтором, который замещает кислород. Его 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 по оценкам российских экспериментаторов находится в диапазоне 4,6—6.

Органические сверхпроводники

В конце 1960-х — начале 1970-х годов 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.

См. также

Оксид иттрия-бария-меди

Примечания

Литература Максимов Е. Г. Проблема высокотемпературной сверхпроводимости. Современное состояние // Успехи физических наук, 2000, т. 170, № 10, c. 1033—1061. Садовский М. В. Псевдощель в высокотемпературных сверхпроводниках // Успехи физических наук, 2001, т. 171, № 5, c. 539—564. Аксенов В. Л. Нейтронография купратных высокотемпературных сверхпроводников // Успехи физических наук, 2002, т. 172, № 6, c. 701—705. Пономарев Я. Г. Туннельная и андреевская спектроскопия высокотемпературных сверхпроводников // Успехи физических наук, 2002, т. 172, № 6, c. 705—711. Копаев Ю. В. Модели высокотемпературной сверхпроводимости // Успехи физических наук, 2002, т. 172, № 6, c. 712—715. Черноплеков Н. А. Состояние работ по сильноточной прикладной сверхпроводимости // Успехи физических наук, 2002, т. 172, № 6, c. 716—722. Белявский В. И., Копаев Ю. В. 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. Фазовая диаграмма La2-xMxCuO4 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. Существование ферромагнетизма и неоднородной сверхпроводимости // Успехи физических наук, 2004, т. 174, № 9, c. 1017—1022. Максимов Е. Г. Высокотемпературная сверхпроводимость сегодня // Успехи физических наук, 2004, т. 174, № 9, c. 1026—1027. Гинзбург В. Л. Несколько замечаний об изучении сверхпроводимости // Успехи физических наук, 2005, т. 175, № 2, c. 187—190. В. Л. Гинзбург, Д. А. Киржниц Высокотемпературная сверхпроводимость (обзор теоретических представлений) // Успехи физических наук, т. 152, с. 575—582 (1987). Белявский В. И., Копаев Ю. В. Первая Международная конференция «Фундаментальные проблемы высокотемпературной сверхпроводимости» // Успехи физических наук, 2005, т. 175, № 2, c. 191—196. Еремец М. И., Дроздов А. П. Высокотемпературные обычные сверхпроводники // Успехи физических наук, 2016, т. 186, № 10, c. 1257—1263. 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. «ARPES-эксперимент в фермиологии квазидвумерных металлов» // Физика Низких Температур, 2014, т. 40, № 4, c. 375—388.

Ссылки

Открытие высокотемпературной сверхпроводимости // Химический факультет МГУ Изотопический эффект в ВТСП-соединениях /вебархив/

Категория:Высокотемпературные сверхпроводники Категория:Нерешённые проблемы современной физики Категория:Сверхпроводимость