Сверхпроводимость, БКШ, успехи, странности и непонятности

Модераторы: morozov, mike@in-russia, Editor

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 32836
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Любителям сверхпроводимости БКШ + Странности и непонятно

Номер сообщения:#31   morozov » Пн сен 10, 2012 20:30

Сверхпроводники и магнетики в таблице Менделеева

В периодической системе элементов Менделеева сверхпроводники расположены главным образом в начале и конце 4-го, 5-го и 6-го периодов. Элементы средней части этих периодов либо ферромагнетики, либо антиферромагнетики, либо металлы без дальнего магнитного или сверхпроводящего порядка. Авторы работы [1], выполненной на физическом факультете МГУ, подробно проанализировали эти закономерности, взяв за основу классические формулы Слэтера [2] для распределения заряда в атомах и характерного радиуса атомных орбиталей. Эти “старые, но никем не отмененные” формулы конечно грубоваты, но неплохо согласуются, например, с данными по оптической спектроскопии. Сравнивались, в частности, межатомные расстояния в реальных кристаллах и радиусы частично заполненных d-, f- p-орбиталей соответствующих элементов. Оказалось, что в сверхпроводниках электроны этих внешних орбиталей гораздо глубже проникают в электронные оболочки соседних атомов, чем в магнетиках и несверхпроводящих металлах. Наименьшим это перекрытие оказывается для элементов-ферромагнетиков. Под действием давления или в тонких пленках соотношение характерных размеров меняется и, скажем, ферромагнетик, такой как железо, имеет шанс стать сверхпроводником. Можно надеяться, что подход, предложенный в [1], окажется применимым не только к самим химическим элементам, но и к многокомпонентным соединениям.

1. L.I.Koroleva, T.M.Khapaeva, J. Phys.: Conf. Series 153, 012057 (2009).
2. J.C.Slater, Phys. Rev. 36, 57 (1930).

Забавно, но когда меня втянули в этот "бурный поток ВТСП" я начал именно с рассматривания таблицы Менделеева. Но то, что б я ее не помнил, я рассматривал электронные оболочки... уже потом я влез дальше. И как ни странно разглядывание оказалось не напрасным.
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 32836
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Любителям сверхпроводимости БКШ + Странности и непонятно

Номер сообщения:#32   morozov » Сб сен 29, 2012 2:17

Поверхностная сверхпроводимость на границе диэлектрика с ионной жидкостью

Задача о переходе полупроводников и диэлектриков в металлическое (и даже в сверхпроводящее) состояние не нова. Для ее решения используются как химические методы (легирование гетеровалентными примесями, внедрение межузельных ионов, создание дефицита катионов или анионов), так и физические (сильное сжатие). Все это делается с целью увеличения концентрации свободных носителей заряда n до как можно более высокого уровня. Так, недавно [1] была продемонстрирована возможность контроля сверхпроводимости границы раздела двух диэлектриков LaAlO3/SrTiO3 в структуре полевого транзистора (field-effect transistor, FET): если к электроду приложить напряжение V (рис. 1а), то на поверхности полупроводника будет накапливаться заряд, и n увеличится. Недостатком такого устройства является ограничение на n: при n ~ 1013 см-2 напряженность поля E ~ 106 В/см, и происходит пробой диэлектрика.

Ситуацию удается исправить [2] путем включения в архитектуру FET электрохимической ячейки и замены граничащего с полупроводником твердого диэлектрика на электролит, представляющий собой раствор ионного соединения в полимерной матрице (рис. 1b). Такое гибридное устройство получило название транзистора с двойным электрическим слоем (electric double-layer transistror, EDLT). В нем E может достигать ~ 107 В/см. Принцип работы EDLT основан на том, что с ростом V присутствующие в органическом растворителе ионы скапливаются у поверхности полупроводникового канала и формируют двойной электрический слой, который действует как наноконденсатор на границе раздела твердой и жидкой фаз. Используя EDLT, удается достичь величины n как минимум на порядок больше, чем в обычных FET. Так, например, в работе [3] с помощью EDLT концентрация n в диэлектрике SrTiO3 была доведена
до ~1014 см-2, и этот диэлектрик стал сверхпроводником с Tc = 0.4 К.

Эффект индуцирования сверхпроводимости диэлектрика электрическим полем (да еще с такой низкой Tc) многие считали не более, чем научным курьезом, не имеющим дальнейших перспектив.
Изображение
Рис. 1. a - Схематическое изображение обычного FET металл-диэлектрик-полупроводник. Символами -/+ обозначены области с избытком/дефицитом электронов, образующиеся при подаче на структуру положительного напряжения. S – источник, D – сток. b - Устройство EDLT, в котором твердый диэлектрик заменен полиоксиэтиленом в органическом растворителе с добавленным в него LiClO4 (красные сферы – ионы Li+, синие – ClO4-). с - Модификация EDLT в работе [4]: полимер заменен ионной жидкостью; при подаче напряжения заряд накапливается на атомарно плоской поверхности монокристаллического слоя ZrNCl, полученного путем микроотщепления с использованием обычной липкой ленты.

Но японские физики сделали новый шаг [4]: заменив в EDLT полимер на органическую ионную жидкость с гораздо меньшим, чем у растворенных в полимере, размером катионов (рис. 1с). Они уменьшили толщину двойного электрического слоя до субнанометровых размеров, тем самым существенно увеличив его емкость. Это позволило еще больше повысить n и индуцировать сверхпроводимость в диэлектрике ZrNCl при Tc = 15.2 К, практически совпадающей с максимальной Tc в LixZrNCl при химическом легировании. Интересно, что Tc поверхности ZrNCl монотонно увеличивается с ростом n (вплоть до максимальной достигнутой в [4] величины n), тогда как в объемных образцах LixZrNCl на зависимости Tc от x (то есть Tc от n) имеется максимум. Возможно, это связано с различием кристаллических структур ZrNCl и LixZrNCl. Тут надо разбираться.

Весьма заманчиво применить эту методику к недопированным слоистым купратам и пниктидам. Может быть, тогда наконец-то удастся достичь более высокой Tc, чем при химическом замещении атомов и/или изменении содержания кислорода?

Л.Опенов

1. A.D.Caviglia et al., Nature 456, 624 (2008).

2. M.J.Panzer et al., Appl. Phys. Lett. 86, 103503 (2005).

3. K.Ueno et al., Nature Mater. 7, 855 (2008).

4. J.T.Ye et al., Nature Mater. 9, 125 (2010).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 32836
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Любителям сверхпроводимости БКШ + Странности и непонятно

Номер сообщения:#33   morozov » Чт окт 04, 2012 10:53

Сверхпроводимость ГЦК-фуллерида Cs3C60

В этом году исполняется 30 лет с момента открытия [1] сверхпроводимости в органических материалах [(TMTSF)2PF6, Tc » 1 К]. За это время было обнаружено много других сверхпроводников на основе углерода, включая допированные фуллерены A3C60 [2] (А – щелочной металл), и критическая температура подросла до Tc = 38 K в Cs3C60 [3]. Интересно, что почти все сверхпроводящие фуллериды имеют гранецентрированную кубическую (ГЦК) структуру, тогда как у Cs3C60 она – объемноцентрированная. В работе [4] (Великобритания, Словения, Япония) показано, что фуллерид Cs3C60 с ГЦК-решеткой представляет собой антиферромагнитный диэлектрик с температурой Нееля TN = 2.2 К. Сверхпроводником с Tc = 35 К он становится только под давлением (см. рис.).

Изображение
Зависимость критической температуры ГЦК-фуллерида Cs3C60 от давления.

На вставке – зависимости объемной доли мейснеровской фракции
от давления в фуллеридах Cs3C60 со структурой ГЦК и А15.

Эволюция диэлектрического состояния этого фуллерида в сверхпроводящее напоминает купратные ВТСП. Так не слишком ли поспешно был в свое время [2] сделан вывод об “обычном” механизме сверхпроводимости допированных фуллеридов?

Л.Опенов

1. D.Jerome et al., Phys. Rev. Lett. 41, 95 (1980).

2. A.F.Hebard, Phys. Today 45, 26 (1992).

3. A.Y.Ganin et al., Nature Mater. 7, 367 (2008).

4. A.Y.Ganin et al., Nature 466, 221 (2010).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 32836
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Любителям сверхпроводимости БКШ + Странности и непонятно

Номер сообщения:#34   morozov » Вс окт 07, 2012 1:48

Ещё раз о столетнем юбилее сверхпроводимости

Открытие Хейке Камерлингом-Оннесом (рис. 1) эффекта полного исчезновения электрического сопротивления ртути, охлажденной жидким гелием до температуры 4.15 К дало старт эре сверхпроводимости, столетие которой мы отмечаем в этом году.

С тех пор сверхпроводимость обнаружена в огромном количестве самых различных соединений: металлах, оксидах, органике, фуллеренах и пр. (рис. 2) – зачастую там, где встретить ее считалось либо крайне маловероятным, либо даже невозможным.

Большинство новых сверхпроводников были открыты случайно (MgB2, купраты, пниктиды и т.д.). Мы пока плохо понимаем, какими именно физико-химическими свойствами должен обладать тот или иной материал, чтобы при охлаждении переходить в сверхпроводящее состояние. Несмотря на впечатляющий успех теории БКШ, она не только не способна объяснить высокотемпературную сверхпроводимость купратных и безмедных ВТСП, но и не дает четких указаний, где искать новые сверхпроводники с еще более высокими критическими температурами Tc. Исследователям приходится полагаться лишь на удачу и свою интуицию. Иногда это приводит к успеху (Беднорц и Мюллер), но чаще – нет. Если гипотетическая комнатнотемпературная сверхпроводимость (КТСП по терминологии В.Л.Гинзбурга) возникает, как и в купратных ВТСП, при допировании исходных диэлектриков, то вероятность ее случайного открытия есть о-малое в квадрате: нужно угадать не только состав родительского соединения, но и тип легирующих элементов (когда же это открытие будет наконец сделано, то все, конечно, удивятся, как не додумались до него раньше).

Изображение
Рис. 1. Х.Камерлинг-Оннес (справа)
и его сотрудник Г.Флим. 1911 г.

Изображение
Рис. 2. Сверхпроводимость встречается в самых различных соединениях.

Повышение Tc не является самоцелью, а требуется для того, чтобы в практических приложениях можно было использовать более дешевые хладагенты (в перспективе КТСП – обычную воду или даже воздух). Помимо Tc важнейшими характеристиками сверхпроводника являются верхнее критическое поле Hc2 и критическая плотность тока Jc (выше которых сверхпроводимость отсутствует). Для сильноточных применений требуются очень большие Hc2 и Jc. К настоящему времени хорошо разработана технология изготовления многожильных проводов NbTi (Tc = 9 К) и NbSn3 (Tc = 23 К) с Hc2 = (15 ÷ 30) Тл и Jc > 105 А/см2 (при гелиевой температуре).

Именно такие провода и используются сейчас в большинстве сверхпроводниковых магнитных систем (в том числе в Большом адронном коллайдере). Что же касается купратных ВТСП, то большие надежды, возлагавшиеся на них 25 лет назад, во многом не оправдались, в первую очередь из-за сравнительно низкого (намного меньше Hc2) поля необратимости. Тем не менее, провода из ВТСП уже используются в ограничителях тока, моторах, магнитах, локальных силовых сетях и пр. Наиболее перспективными представляются ленты Yba2Cu3O7-x второго поколения (2G). Но их реальная токонесущая способность оказывается, к сожалению, не такой уж и большой по той причине, что на собственно ВТСП-слои приходится лишь (1 – 2) % площади поперечного сечения 2G-ленты (рис. 3).

Изображение
Рис. 3. Конструкция 2G-ленты из ВТСП Y123.

При всем при этом производство таких лент очень недешево. Смогут ли безмедные ВТСП составить здесь серьезную конкуренцию купратам, пока не ясно. В любом случае жидким азотом их охлаждать не получится из-за недостаточно высоких Tc.

По материалам апрельского (2011)
выпуска Nature Materials
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 32836
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Любителям сверхпроводимости БКШ + Странности и непонятно

Номер сообщения:#35   morozov » Ср окт 10, 2012 12:29

Сверхпроводимость диэлектрика KTaO3 при электростатическом допировании

При добавлении в диэлектрик свободных носителей заряда может возникнуть сверхпроводимость. Классический пример – купратные ВТСП. В них увеличение концентрации носителей n реализуется химическим допированием – замещением части атомов матрицы на атомы с другой валентностью. Однако этот путь далеко не всегда приводит к успеху. Например, попытки индуцировать сверхпроводимость танталата калия KTaO3 путем замещения K/Ba оказались неудачными: из-за низкой растворимости атомов Ba величина n не достигла требуемого уровня. В работе [1] использована методика электростатического допирования KTaO3, основанная на формировании очень узкого (< 1 нм) двойного электрического слоя на границе раздела диэлектрика с ионной жидкостью (рис. 1). Это позволило авторам увеличить n до уровня, достаточного для появления сверхпроводимости, хотя и при очень низкой (~50 мК) температуре Tc. Интересно, что с ростом n Tc сначала увеличивается, достигает максимума (при концентрации электронов 0.06 на элементарную ячейку), а затем вновь уменьшается (рис. 2).

Изображение
Рис. 1.Накопление катионов с одной стороны от границы раздела приводит к увеличению поверхностной концентрации электронов с другой стороны.

Изображение
Рис. 2. Зависимость Tc от напряжения VG на управляющем электроде (поверхностная концентрация электронов увеличивается с ростом VG).

Такая же картина наблюдалась ранее при электростатическом допировании SrTiO3. Сразу же возникает аналогия с купратами и некоторыми другими сильнокоррелированными (близкими к фазе моттовского диэлектрика) сверхпроводниками. Но в них причиной падения Tc с ростом n является, как принято считать, ослабление корреляций из-за экранировки, тогда как KTaO3 и SrTiO3 – зонные диэлектрики со слабым межэлектронным взаимодействием.

Л.Опенов

1. K.Ueno et al., Nature Nanotech. 6, 408 (2011).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 32836
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Любителям сверхпроводимости БКШ + Странности и непонятно

Номер сообщения:#36   morozov » Пт окт 19, 2012 13:33

Сосуществование ферромагнетизма и
сверхпроводимости на границе LaAlO3/SrTiO3

На границе раздела двух зонных диэлектриков LaAlO3 и SrTiO3 формируется двумерная электронная система, в которой (в зависимости от условий изготовления образцов) разные авторы наблюдали либо магнитный, либо сверхпроводящий порядок. В работе [1] (США, Германия) впервые обнаружено сосуществование ферромагнетизма и сверхпроводимости на одной и той же границе LaAlO3/SrTiO3. Эффект существует при T < Tc = 120 мК (см. рис.).
Изображение
Зависимость сопротивления R и магнитного момента m границы раздела
LaAlO3/SrTiO3 от магнитного поля H при T = 20мК.

При этом температура магнитного упорядочения достигает 200 К, то есть обменное взаимодействие достаточно сильное. Магнитный момент лежит в плоскости двумерной элементарной ячейки и составляет примерно 0.3mB в расчете на ячейку. Осталось невыясненным, связаны ли магнитный и сверхпроводящий порядок с одной и той же группой электронов (что предполагает триплетное спаривание) или же имеет место фазовое расслоение на ферромагнитные и сверхпроводящие области, которые либо разнесены вдоль границы, либо находятся на разной глубине от неё. Причиной такого расслоения может быть, например, неоднородное распределение кислородных вакансий в SrTiO3. Результаты, полученные в работе [2] с использованием миниатюрного СКВИДа, свидетельствуют в пользу фазового расслоения: на границе LaAlO3/SrTiO3 отчетливо наблюдалось неоднородное распределение ферромагнитных и сверхпроводящих участков. Но, памятуя о сильной чувствительности границы к технологическим нюансам, точку здесь ставить пока рано.

Л.Опенов

1. L.Li et al., Nature Phys. 7, 762 (2011).

2. J.A.Bert et al., Nature Phys. 7, 767 (2011).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 32836
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Любителям сверхпроводимости БКШ + Странности и непонятно

Номер сообщения:#37   morozov » Ср ноя 21, 2012 11:46

1. O.M.Auslaender et al., Nature Phys. 5, 35 (2009).

Анизотропная сверхпроводящая щель в C6Ca

После открытия сверхпроводимости в C6Yb и C6Ca [1] было высказано предположение, что ее механизм является нефононным. Это предположение исходно основывалось на гораздо более высокой критической температуре Tc ≈ 10 К новых сверхпроводников по сравнению с Tc интеркалированного щелочными металлами графита, интенсивно изучавшегося в 1980-е годы. Так как нефононный механизм обычно предполагает анизотропию сверхпроводящего параметра порядка Δ, то значительное внимание уделялось поведению Δ на поверхности Ферми. Но результаты косвенных экспериментов (магнитные и термодинамические свойства, туннельная спектроскопия, электронный спиновый резонанс) оказались противоречивыми: одни говорили об изотропном s-волновом параметре порядка, а другие – о существенно анизотропном или даже многокомпонентном.
Изображение
Рис. Температурная зависимость магнитной восприимчивости монокристалла C6Ca (на вставке)
при его охлаждении в поле H = 10 Э (FC) и без поля (ZFC).

В работе [2] японские ученые из Tohoku University сообщили о первом непосредственном исследовании анизотропии сверхпроводящей щели |Δ| в монокристалле C6Ca с Tc = 11.5 К (см. рис.) методом фотоэмиссионной спектроскопии с угловым разрешением (ранее качественные монокристаллы C6Ca вырастить не удавалось). Было показано, что поверхность Ферми состоит из двух частей, на одной из которых щель |Δ| = (1.8 ¸ 2.0) мэВ (2|Δ|/kBTc ≈ 4) практически изотропна, а на другой (связанной с p-зоной графитовых слоев) близка к нулю –|Δ| = (0.2 ± 0.2) мэВ. Наличие в С6Ca этой маленькой, не существенной для сверхпроводимости щели и послужило, по-видимому, причиной того, что эксперименты по теплоемкости и туннельной плотности состояний были объяснены анизотропией “основной” щели. Данные работы [1] хорошо согласуются с расчетами из первых принципов, которые дают |Δ| ≈ 2 мэВ (за счет обычного электрон-фононного взаимодействия).

Л.Опенов

1. T.E.Weller et al., Nature Phys. 1, 39 (2005).

2. S.Sugawara et al., Nature Phys. 5, 40 (2009).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 32836
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Любителям сверхпроводимости БКШ + Странности и непонятно

Номер сообщения:#38   morozov » Вс дек 16, 2012 2:42

Возможная сверхпроводимость при 340К?
Как сообщают D.Djurek, Z.Medunic, A.Tonejc, M.Paljevic (объединенная группа из Хорватии - A.Volta Applied Ceramics (AVAC), University of Zagreb, Ruder Boskovic Institute), они наблюдали сверхпроводимость с началом перехода при 340К в соединении AgxPb6CO9+?. Образцы синтезировали в атмосфере CO2+O2 из смеси PbCO3·2PbO + Ag(Ag2O). Сверхпроводящая фаза, оцененная из измерений магнитной восприимчивости, составляла в разных образцах 1.5-20%.

Электрическое сопротивление таблетированных образцов измеряли
4-х зондовым методом с точностью 10-8Ом. DC магнитную восприимчивость регистрировали как в нулевом магнитном поле (ZFC), так и в поле при охлаждении образца (FC) на весах Фарадея с чувствительностью 10-5 g. Образцы имели хорошо развитую текстуру и демонстрировали сильную анизотропию электрической проводимости с отношением проводимости вдоль и перпендикулярно образцу - > 106.

Изображение
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 32836
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Любителям сверхпроводимости БКШ + Странности и непонятно

Номер сообщения:#39   morozov » Вс дек 23, 2012 12:09

Пленки MgB2 (ФИАН)
Широкий интерес к недавно открытому сверхпроводнику MgB2 вызван сочетанием в нем неожиданно высокой Тс=39К с изотропным характером электронных свойств, с отсутствием проблем с межгранулярными контактами, с высокими критическими транспортными токами.
Изображение
Рис. 1
Изображение
Рис. 2
Пока (а с момента обнаружения сверхпроводимости в этом соединении прошло только 2 месяца) все физические исследования на MgB2 были выполнены на поликристаллических образцах, что очень напоминает ситуацию с открытием купратных ВТСП. Конечно, достоверность результатов (по крайней мере, касающихся измерения транспортных свойств, эффекта Холла, анизотропии) должна быть подтверждена проведением измерений на монокристаллических образцах или эпитаксиальных пленках. Особенности фазовой диаграммы MgB2 делают задачу выращивания монокристаллов этого соединения чрезвычайно сложной. Поэтому одним из основных объектов физических исследований на MgB2,

как ожидается, станут эпитаксиальные пленки. Кроме того, высококачественные пленки MgB2 могут оказаться необходимыми для использования в сверхпроводниковой электронике.

В лаборатории сверхпроводимости ФИАН (С.И.Красносвободцев, О.М.Иваненко, К.В.Мицен) пленки MgB2 были получены на подложках MgO (001) и Al2O3 (1102) методом лазерного напыления. В качестве мишеней использовали спрессованные и отожженные при 900оС в парах Mg таблетки из порошка MgB2, либо готовый порошок MgB2 фирмы Alfa Aesar, 98% чистоты, (Тс » 37.5К), либо синтезированный путем отжига порошка аморфного бора в парах Mg при 900оС (Тс » 39К).

В работе использовался Nd-YAG лазер с длиной волны 1.06мкм (плотность энергии в фокусе ~20Дж/см2, частота следования 30Гц). Пленки осаждали в вакууме 10-6Торр на подложки, находящиеся при комнатной температуре. Пленки были квазиаморфными и диэлектрическими. Для образования фазы MgB2 их отжигали в парах магния при температуре 850-900оС от 15 минут до 1 часа.

Отожженные пленки имели розоватый цвет и зеркальную поверхность. Сверхпроводящие свойства контролировали по изменению магнитной восприимчивости на переменном токе и по сопротивлению. На рис. 1. показана температурная зависимость (Т) для пленки MgB2/Al2O3 (для пленок MgB2 на подложках из MgO получены практически те же результаты). Как видно из рисунка, полученные пленки имеют резкий диамагнитный переход при 33К, что свидетельствует об их высокой однородности. На рис. 2 приведена температурная зависимость сопротивления для той же пленки MgB2/Al2O3. Удельное сопротивление при комнатной температуре составляет ~30мкОм x см. Температура начала сверхпроводящего перехода Тсо » 39К. Сопротивление обращается в нуль при Тсе » 33К в согласии с результатами измерений восприимчивости.

Более низкая температура сверхпроводящего перехода в полученных пленках по сравнению с поликристаллическими образцами связана по мнению авторов либо с частичным уходом Mg из объема пленки в процессе термообработки, либо с нарушением стехиометрии в процессе осаждения пленки, которое не устраняется последующим отжигом в парах Mg.
_______________________________________________
по поводу ворчания "наука в России умерла"....
Это классное достижение.
Приятно, что знаю этих людей (двоих) ребята работают на совесть...
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 32836
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Любителям сверхпроводимости БКШ + Странности и непонятно

Номер сообщения:#40   morozov » Пн апр 08, 2013 11:30

Сверхпроводимость и квантовая информатика

Большинство кандидатов на роль физических носителей квантовых битов (кубитов) представляют собой микроскопические объекты (электроны, атомы, ионы) или фотоны. Сверхпроводниковые же кубиты, которым посвящен недавний обзор [1] (Франция, США), напротив, являются макроскопическими системами (рис. 1А), основанными, впрочем, на сугубо квантовых явлениях: сверхпроводимости (бездиссипативном протекании электронов, объединенных в куперовские пары) и эффекте Джозефсона (туннелировании куперовских пар через диэлектрический барьер). Джозефсоновский контакт привносит нелинейность и превращает сверхпроводящий контур в “искусственный атом” с дискретными уровнями энергии (рис. 1В), формирующими базисные состояния кубита. В зависимости от формы потенциальной энергии как функции потока магнитного поля через площадь контура различают зарядовый, потоковый, фазовый и другие типы кубитов (рис. 1С). Сверхпроводниковые кубиты сохраняют когерентность в течение ~ 100 мкс. За это время с ними можно выполнить несколько сотен или даже тысяч операций. Одной из основных проблем на пути создания из них реальных многокубитных устройств является неизбежная (чисто технологически) вариация параметров от кубита к кубиту – в отличие от, например, ионов в магнитной ловушке, которые все абсолютно идентичны, потому что созданы Природой, а не нашими руками. Будем надеяться, что эту проблему удастся так или иначе решить. В остальном же достигнутый за последние годы прогресс впечатляет (рис.2).

Изображение
Рис. 1. А - Сверхпроводниковый кубит можно рассматривать как простую электрическую цепь с параллельно включенными емкостью С, джозефсоновским туннельным элементом (крестик) и индуктивностью L. F – поток магнитного поля через контур. В - Потенциальная энергия E как функция потока F и энергетические уровни кубита. С - Тип кубита определяется формой кривой E(F), которая, в свою очередь, зависит от конкретных величин емкости C и индуктивностей LJ, L.

Изображение
Рис. 2. Аналог закона Мура для сверхпроводниковых кубитов: экспоненциальное увеличение времени жизни кубитов и количества операций с ними за это время.

Л.Опенов

1. M.H.Devoret, R.J.Schoelkopf, Science 339, 1169 (2013).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 32836
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Любителям сверхпроводимости, БКШ, Странности и непонятно

Номер сообщения:#41   morozov » Ср сен 18, 2013 21:22

СВЕРХПРОВОДНИКИ

Возбужденные андреевские пары в сверхпроводящем контакте

Стационарный эффект Джозефсона – это бездиссипативное протекание тока между двумя сверхпроводниками, разделенными тонким слоем металлического или диэлектрического материала. Обычный джозефсоновский контакт можно рассматривать как параллельное соединение большого числа слабых связей (рис. 1а).

Изображение
Рис. 1. Обычный (a) и атомный (b) туннельные контакты.

Согласно теории, в каждой такой связи имеются два андреевских состояния (так называемый андреевский дублет), энергии которых находятся внутри сверхпроводящей щели и зависят как от разности фаз между сверхпроводниками, так и от коэффициента прохождения электронов через данную связь (рис. 2).


Изображение
Рис. 2. Зависимости энергий андреевских уровней в одной слабой связи
с вероятностью прохождения t от разности фаз между сверхпроводниками d.

В переносе сверхтока (куперовских пар) участвуют нижние андреевские состояния всех слабых связей. Возбужденные состояния андреевских дублетов никогда непосредственно не регистрировались (хотя при интерпретации некоторых экспериментов без них было не обойтись). Впервые это сделано французскими физиками [1], которым удалось изготовить туннельный контакт с одной-единственной слабой связью (рис. 1b). Эксперименты по поглощению электромагнитного излучения таким контактом позволили определить зависимость расстояния между андреевскими уровнями от разности фаз. Она совпала с теоретической (рис. 2). Авторы [1] полагают, что андреевские дублеты можно использовать в квантовых информационных устройствах.

Л.Опенов

1. L.Bretheau et al., Nature 499, 312 (2013).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 32836
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Любителям сверхпроводимости, БКШ, Странности и непонятно

Номер сообщения:#42   morozov » Вс сен 22, 2013 2:39

О сверхпроводимости железа под давлением

Сверхпроводимость железа при высоком давлении была открыта более десяти лет назад [1], но экспериментальных работ на эту тему до сих пор очень мало. В статье [2] (Швейцария, Франция, Аргентина, Великобритания) представлены результаты детальных исследований структуры и электрических свойств качественных монокристаллов Fe при давлении P до 31 ГПа. Показано, что при P = 14 ГПа имеет место мартенситный переход из ОЦК в ГПУ фазу. Сверхпроводимость возникает при P » 13 ГПа, причем с ростом P критическая температура Tc сначала возрастает до 2.3 К при P » 20 ГПа, а затем падает до нуля при P = 31 ГПа (см. рис.).


Изображение
Температура Tc сверхпроводящего перехода в железе как функция давления Р.
Кривые 1, 2 и 3 отвечают критериям определения Tc по уменьшению
удельного сопротивления на 1%, 10% и 100% от своей величины
в нормальном состоянии, соответственно.

Анализ температурных зависимостей удельного сопротивления при разных давлениях показал, что ферромагнитные флуктуации наиболее сильны, когда Tc максимальна. Из этого авторы [2] делают вывод, что механизм сверхпроводимости железа, скорее всего нефононный.

Л.Опенов

1. K.Shimizu et al., Nature 412, 316 (2001).

2. C.S.Yadav et al., Phys. Rev. B 88, 054110 (2013).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 32836
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Любителям сверхпроводимости, БКШ, Странности и непонятно

Номер сообщения:#43   morozov » Сб сен 28, 2013 1:02

Спаривание тяжелых фермионов

Считается, что сверхпроводимость соединений с тяжелыми фермионами обусловлена взаимодействием электронов не с фононами, как в обычных сверхпроводниках, а со спиновыми флуктуациями. Согласно теории, при таком механизме спаривания сверхпроводящий параметр порядка имеет d-волновую симметрию, а сверхпроводящая щель D обращается в нуль на диагоналях зоны Бриллюэна. Экспериментальные исследования структуры D в k-пространстве затруднены, во-первых, низкими критическими температурами тяжелофермионых сверхпроводников Tc ~ 1 К (измерения нужно проводить при T << Tc) и, во-вторых, малой величиной D, которая тоже является следствием низких Tc. Недавно двум группам все-таки удалось определить D(k) в одном из типичных представителей этого класса сверхпроводников – CeCoIn5 [1, 2]. Обе использовали сканирующую туннельную микроскопию/спектроскопию высокого разрешения, только одни изучали интерференцию боголюбовских квазичастиц при их рассеянии на локальных примесях [1], а другие – отклик электронов на такие же примеси в координатном пространстве [2]. Результаты совпали: нули (или, по крайней мере, глубокие минимумы) D оказались там, где им и положено быть при d-волновом спаривании (см. рис.).

Изображение
Слева – поверхность Ферми в CeCoIn5. Сверхпроводящая щель D минимальна на диагоналях зоны Бриллюэна. Справа – угловая зависимость D в CeCoIn5 (красная линия) и Bi2Sr2CaCu2O8 (синяя линия).

Интересно, что угловая зависимость D при этом почти такая же, как и в купратном ВТСП Bi-2212, несмотря на огромную разницу в Tc (2.3 К и 93 К). Это дает основание для спекуляций об одинаковом механизме сверхпроводимости.

Л.Опенов

1. M.P.Allan et al., Nature Phys. 9, 468 (2013).

2. B.B.Zhou et al., Nature Phys. 9, 474 (2013).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 32836
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Любителям сверхпроводимости, БКШ, Странности и непонятно

Номер сообщения:#44   morozov » Чт окт 10, 2013 19:37

НаноСКВИД

Сверхпроводниковое квантовое интерференционное устройство (СКВИД) представляет собой замкнутый сверхпроводящий контур с двумя джозефсоновскими контактами (слабыми связями). Его работа основана на явлении квантовой интерференции, вследствие которой максимальный ток Ic в контуре является периодической функцией магнитного потока F через ограниченную контуром площадь (период этой функции равен кванту магнитного потока F0=h/2e). СКВИДы позволяют регистрировать очень слабые магнитные поля. При этом пространственное разрешение определяется размерами контура. В работе [1] (Израиль, США) изготовлен СКВИД с диаметром контура 46 нм (рис. 1a), что позволило авторам, в частности, определить распределение магнитного поля абрикосовских вихрей, отстоящих друг от друга на 120 нм (рис.1b).


Изображение
Рис.1. a – Кварцевая трубка с наноСКВИДом;
b – распределение магнитного поля от абрикосовских вихрей в тонкой пленке Nb. Данные сканирующей СКВИД-микроскопии.

Шум потока в этом наноСКВИДе составил всего 50 нF0Гц-1/2, а его спиновая чувствительность – 0.38 mBГц-1/2. По сути дела, создана новая методика – сканирующая СКВИД-микроскопия.

Л.Опенов

1. D.Vasyukov et al., Nature Nanotech. 8, 639 (2013).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 32836
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Сверхпроводимость, БКШ, успехи, странности и непонятност

Номер сообщения:#45   morozov » Пт ноя 01, 2013 14:29

Супертвердый сверхпроводящий тетраборид железа

Недавно было теоретически предсказано [1], что в системе Fe-B может существовать ранее неизвестное соединение FeB4 с орторомбической структурой. Расчеты указывали на сильное электрон-фононное взаимодействие, поэтому FeB4 рассматривался как кандидат в “обычные” сверхпроводники с фононным механизмом спаривания. В работе [2] (Германия, Эстония, Италия, Франция, Бельгия, США) монокристаллы FeB4 синтезированы при высоких температурах (1523-3023 К) и давлениях (8-18 ГПа). Они действительно оказались сверхпроводящими, хотя и с довольно низкой критической температурой Tc = 2.9 К (рис. 1). Объемный характер сверхпроводимости подтвержден измерениями теплоемкости (рис. 2).

Изображение
Рис. 1. Температурные зависимости магнитной восприимчивости монокристаллов FeB4 с изотопами 10В и 11В.

Изображение
Рис. 2. Температурная зависимость удельной теплоемкости FeB4.

Верхнее критическое поле составило Нс2(0) = 1.05 Тл. Изотопическое замещение атомов бора приводит к изменению Тс, то есть сверхпроводимость, как и ожидалось, имеет фононную природу, что необычно для соединений железа. FeB4 оказался очень прочным материалом: его твердость (62 ГПа) достаточна для конструирования новых сверхпроводниковых наноэлектромеханических систем.

Л.Опенов

1. A.N. Kolmogorov et al., Phys. Rev. Lett. 105, 217003 (2010).

2. H. Gou et al., Phys. Rev. Lett. 111, 157002 (2013).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Ответить

Вернуться в «Дискуссионный клуб / Debating-Society»