Сверхпроводимость, БКШ, успехи, странности и непонятности

Модераторы: morozov, mike@in-russia, Editor

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 32837
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Сверхпроводимость, БКШ, успехи, странности и непонятности

Номер сообщения:#61   morozov » Пт ноя 07, 2014 11:24

Неуловимая сверхпроводимость графита

В Письмах в ЖЭТФ появилась статья [1] российско-германо-финской группы ученых, которая предлагает объяснение загадки, будоражащей умы исследователей на протяжении нескольких десятилетий – высокотемпературной сверхпроводимости пиролитического графита. С 70-х годов [2] и до наших дней [3] появляются сообщения о наблюдении сверхпроводимости при комнатных температурах, но эти результаты трудновоспроизводимы, а свидетельства о наличии сверхпроводящей фазы лишь косвенные.
Изображение
Рис. 1. Схематическое изображение возникновения дислокаций на границах гранул графита [1]:

а - первоначальное наложение друг на друга графеновых слоев, образующих небольшой угол qtwist друг с другом (для простоты показана квадратная, а не гексагональная решетка в графеновых слоях).

б - релаксировавшее состояние с большими областями совпадающих друг с другом решеток, разделенные тонкими границами – винтовыми дислокациями, в которых сосредоточено механическое напряжение и наблюдаются аномалии проводящих свойств графита.


Как полагают авторы [1], все дело в дислокациях, которые возникают там, где графеновые слои в графите повернуты на небольшой угол относительно друг друга. Вместо обычного наложения двух решеток (рис. 1а), возникают области с идеально подогнанными друг другу атомами в слоях, разделенные переходными областями – дислокациями, образующими крупномасштабную сетку с периодом от 3 до 25 нм (рис. 1б). В местах дислокаций механические напряжения приводят к образованию плоской энергетической зоны и как следствие – сингулярности в плотности энергетических состояний электронов, которая, в свою очередь, порождает высокотемпературную сверхпроводимость.

Описанный механизм позволяет объяснить особенности явления: его плохую воспроизводимость, нестабильность и слабость сигнала – ведь сверхпроводящие “коридоры” занимают малый объем по сравнению с общей толщей графита и само их существование сильно зависит от условий приготовления: даже самая незначительная адсорбция посторонних атомов (например, водорода) может разрушить хрупкое сверхпроводящее состояние.

А. Пятаков

1. P. Esquinazi et al., Письма в ЖЭТФ 100, 374 (2014).

2. K. Antonowicz, Nature 247, 358 (1974).

3. T. Scheike et al., Carbon 59, 140 (2013).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Юрий381
Сообщения: 341
Зарегистрирован: Пт авг 17, 2012 9:37

Re: Сверхпроводимость, БКШ, успехи, странности и непонятности

Номер сообщения:#62   Юрий381 » Пн ноя 10, 2014 16:14

в других публикациях, наоборот, именно гидрирование графита приводит к появлению гранулярной СП

Юрий381
Сообщения: 341
Зарегистрирован: Пт авг 17, 2012 9:37

Re: Сверхпроводимость, БКШ, успехи, странности и непонятности

Номер сообщения:#63   Юрий381 » Чт ноя 13, 2014 11:08

Растяжка графена может вызвать сверхпроводящее состояние:
http://www.nature.com.sci-hub.org/nphys ... s3161.html
Собрали все в кучу: и объемные ТИ, и двумерные, и графен, и заварили все это на псевдо-магнитном поле...
Авторы пишут: псевдо-магнитное поле не нарушает симметрии обращения времени - значит это путь к ТИ. То есть каша из топора: в графене и так уже есть конус Дирака, однако, растягивая его можно получить ТИ-состояния, хотя непонятно зачем использовать именно графен, если есть другие материалы с псевдо-полями обладающими симметрией к обращению времени, например поле Рашбы. А они прицепились именно к псевдо-магнитному полю..
В моей новой статье, будет дан более понятный обзор всех этих сущностей..

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 32837
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Сверхпроводимость, БКШ, успехи, странности и непонятности

Номер сообщения:#64   morozov » Ср ноя 19, 2014 0:38

5.7. «СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ: ПОЗАВЧЕРА, ВЧЕРА, СЕГОДНЯ, ЗАВТРА»

В качестве заключения для тех, кого заинтересовала проблема сверхпроводимости, хотелось бы порекомендовать обзор В.Л. Гинзбурга, опубликованный в журнале «Успехи физических наук» (2000 г., т. 170, № 6, с. 619), «Сверхпроводимость: позавчера, вчера, сегодня, завтра». В этой работе академик Гинзбург выделяет четыре этапа в истории этой проблемы.

1. ПОЗАВЧЕРА (1911–1941)

Открытие в 1911 г. Камерлинг-Оннесом сверхпроводимости ртути при Tc = 4,15 К положило начало одному из самых увлекательных разделов современной физики и серии нобелевских премий за исследования в этой области. Интересно, что непосредственное измерение электросопротивления ртути проводил Г. Холст (квалифицированный физик, в дальнейшем – профессор Лейденского университета), который и наблюдал первым падение R до нуля.

Так как Лейденская лаборатория «владела монополией» на жидкий гелий вплоть до 1923 г., то даже повторить опыты Камерлинг-Оннеса никто не мог, и он продолжал свои исследования в одиночку (по крайней мере, имя Холста нигде не упоминалось). Вскоре вслед за ртутью были открыты и другие сверхпроводники: олово (Tc = 3,69 К), свинец (Tc = 7,26 К) и т.д. Первый сверхпроводник вне Лейдена был открыт лишь в 1928 г. В 1914 г. выяснилось, что существует критическое для сверхпроводимости магнитное поле Hc(T), величина которого при T = 0 составляет 411 Э для ртути и 803 Э для свинца.

Интересно, что Камерлинг-Оннес был близок к открытию изотопического эффекта (в 1922 г.) и эффекта Мейснера (в 1924 г.). Но так как изотопический сдвиг Tc в использованных Камерлинг-Оннесом изотопах свинца составлял всего лишь Tc >> 0,01 К, то изотопический эффект он не имел экспериментальных возможностей обнаружить. А наблюдать эффект Мейснера в свинцовом шаре Камерлинг-Оннесу не позволило то обстоятельство, что он изучал полый шар, экономя дефицитный жидкий гелий (эффект Мейснера был открыт лишь в 1933 г.).

В теории дела на первых порах обстояли значительно хуже. И связано это было, прежде всего, с тем, что даже свойства нормального состояния металлов долгое время оставались неясными – вплоть до применения квантовой механики к вырожденному ферми-газу в конце 20-х гг. Как пишет В.Л. Гинзбург, «первый период в изучении сверхпроводимости – в отношении микротеории сверхпроводимости – окончился пониманием существования подлинной проблемы, но признанием неясности на пути ее решения», несмотря на то, что понять природу сверхпроводимости пытались даже такие мэтры как Эйнштейн и Бор. Теоретики ограничились лишь двухжидкостной моделью Гортера–Казимира (1934 г.), согласно которой в сверхпроводнике, наряду со сверхпроводящим током, может течь и нормальный ток, обусловленный «нормальными электронами». Справедливости ради надо отметить, что эта модель позволила Лондону в 1935 г. дать качественное объяснение эффекта Мейснера.

Ближе к концу этого периода Л.В. Шубниковым были открыты сверхпроводники второго рода (1935 г.), отличавшиеся от известных к тому времени сверхпроводников своим поведением в магнитном поле (как выяснилось позже, подавляющее большинство сверхпроводящих материалов относится именно к классу сверхпроводников второго рода). Причины этого отличия тогда также остались неясны.

2. ВЧЕРА (1942–1986)

Отмечая условность временной границы между «позавчера» и «вчера», В.Л. Гинзбург переходит к феноменологической теории Гинзбурга–Ландау (1950 г.), в которой сверхпроводимость описывается на языке параметра порядка. Эта теория позволила получить для сверхпроводников ряд важных термодинамических соотношений, объяснить поведение сверхпроводящих пленок в магнитном поле, эффекты переохлаждения и перегрева и т.д. В рамках теории Гинзбурга–Ландау находит объяснение и факт существования сверхпроводников первого и второго рода (Абрикосов, 1957 г.). Интересно, что анализ экспериментальных данных на основе теории Гинзбурга–Ландау позволил сделать оценку эффективного заряда e*, который оказался примерно в два раза больше, чем заряд электрона. Но мысль об объединении электронов в пары тогда никому не пришла в голову, хотя к тому времени уже давно была опубликована статья Огга (1946 г.), в которой выдвигалась идея о спаривании электронов с их последующей бозе-эйнштейновской конденсацией.

Прорыв наступил в 1957 г., когда Бардин, Купер и Шриффер создали свою знаменитую теорию БКШ, описав явление сверхпроводимости на микроскопическом уровне. Теория БКШ вскрыла механизм сверхпроводимости. Было выяснено, что в его основе лежит электрон-фононное взаимодействие, которое приводит к образованию куперовских пар, переносящих «сверхток». Теория БКШ естественным образом объяснила изотопический эффект, открытый в 1950 г., и, что очень важно, позволила выразить критическую температуру Tc через фононные и электронные характеристики. В результате этого появилась возможность вести осмысленный поиск новых сверхпроводников с более высокой Tc из числа материалов с большими значениями дебаевской температуры и константы электрон-фононного взаимодействия. Для гипотетического металлического водорода была предсказана огромная Tc = (200–300) К. Но теперь «подкачал» уже эксперимент. Максимум, чего удалось добиться за 30 лет со времени публикации БКШ – это повысить Tc до 24 К в Nb3Ge (1973 г.).

А теория продолжала развиваться и в другом направлении. В 1964 г. Литтл и Гинзбург независимо высказали идею о возможном нефононном механизме сверхпроводимости в низкоразмерных (квазиодномерных или квазидвумерных) системах. Было показано, что замена фононов на экситоны (возбуждения подсистемы связанных электронов) в принципе позволяет повысить Tc до (50–500) К. Однако поиск таких сверхпроводников не увенчался успехом.

3. СЕГОДНЯ (1987–?)

«Сегодня» начинается с еще одной Нобелевской премии за открытия в области сверхпроводимости. Ее получили Беднорц и Мюллер, которые синтезировали сверхпроводник Ba-Sr-Cu-O, проложив тем самым тропинку к целому классу ВТСП с Tc ~ 100 К (наконец-то был преодолен так называемый «азотный барьер»). В сверхпроводимости начался настоящий «бум». В среднем публиковалось около 15 статей в день. Однако к концу второго тысячелетия картина высокотемпературной сверхпроводимости остается совершенно неясной.

До сих пор непонятен механизм сверхпроводимости ВТСП. Не исключено, что он является фононным. Обсуждаются также спиновый, экситонный и другие электронные механизмы. Ни одна из предложенных моделей не лишена недостатков и не позволяет объяснить всю совокупность экспериментальных фактов. По-видимому, при описании ВТСП нельзя ограничиваться каким-либо одним типом взаимодействия. Дело осложняется тем, что даже в нормальном состоянии ВТСП обладают рядом необычных свойств. Некоторые авторы, к числу которых относится известный физик Андерсон, подвергают сомнению возможность использования ферми-жидкостных представлений для описания ВТСП. «Будущее покажет, так ли это», – говорит академик Гинзбург. Но если фононный механизм в ВТСП окажется все же определяющим, то величина Tc в классе медных оксидов вряд ли превысит 200 К.

Весьма примечательно, что В.Л. Гинзбург оставляет конец периода «сегодня» неопределенным. Автору хотелось бы, чтобы событием, которым закончится этот период, стало понимание механизма ВТСП.

4. ЗАВТРА

В этот период, возможно, реализуется «голубая мечта» – комнатно-температурная сверхпроводимость с Tc = (300–400) К. В соединениях какого типа? Трудно сказать... Возможно, это будут слоистые квазидвумерные системы, а может быть, что-то такое, о чем мы сейчас и не подозреваем. Когда это произойдет – тоже неизвестно. По словам В.Л. Гинзбурга, «у нас имеется один естественный рубеж – 2011-й год, то есть столетие со дня открытия сверхпроводимости».

А послезавтра? Академик Гинзбург в своем обзоре не рассматривает этот временной период.
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Юрий381
Сообщения: 341
Зарегистрирован: Пт авг 17, 2012 9:37

Re: Сверхпроводимость, БКШ, успехи, странности и непонятности

Номер сообщения:#65   Юрий381 » Ср ноя 19, 2014 10:08

morozov писал(а): 4. ЗАВТРА

В этот период, возможно, реализуется «голубая мечта» – комнатно-температурная сверхпроводимость с Tc = (300–400) К. В соединениях какого типа? Трудно сказать... Возможно, это будут слоистые квазидвумерные системы...
вот это реально впечатлило! откуда он мог знать про суть ВТСП состоящую в гигантском СОВ? Откуда мог знать что максимальное значение СОВ достигается в системах пониженной размерности?

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 32837
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Сверхпроводимость, БКШ, успехи, странности и непонятности

Номер сообщения:#66   morozov » Вт дек 16, 2014 18:36

Спиральное куперовское спаривание в дираковском топологическом сверхпроводнике

Во всех известных сверхпроводниках (включая купраты, пниктиды, тяжелофермионные соединения и пр.) куперовские пары образованы электронами с противоположными импульсами (±k), причем состояние с определенным импульсом может быть занято как электроном со спином “вверх”, так и электроном со спином “вниз”. Совершенно другая картина имеет место в газе дираковских фермионов на поверхности топологического диэлектрика: здесь направление спина электрона “привязано” к направлению его импульса. Например, у электрона с импульсом k спин может быть направлен только “вверх”, а у электрона с импульсом -k – только “вниз”, то есть спин “отслеживает” направление импульса, поворачиваясь вместе с ним как бы по спирали. Теория предсказывает, что такие “спин-спиральные” электроны могут объединяться в куперовские пары (спиральное куперовское спаривание, рис. 1).


Изображение

Рис. 1. Иллюстрация спирального куперовского спаривания.
Стрелки показывают направление поляризации электронных спинов
на уровне Ферми.

Изображение
Рис. 2. Ультратонкая (≈ 3 нм) пленка топологического диэлектрика Bi2Se3, выращенная методом молекулярно-лучевой эпитаксии на поверхности монокристалла s-волнового сверхпроводника 2H-NbSe2 с Tc = 7.2 К.

Спиральные топологические сверхпроводники представляют интерес и для фундаментальной физики (низкоэнергетический вариант майорановских фермионов, которые никак не удается обнаружить в экспериментах с элементарными частицами), и для приложений (квантовые компьютеры с топологическими кубитами). Остается “только” найти эти экзотические сверхпроводники. Имеющиеся в литературе экспериментальные данные пока выглядят неубедительными.

В работе [1] (США, Тайвань) представлены результаты исследования гетероструктур Bi2Se3/NbSe2 (рис. 2) методом фотоэмиссионной спектроскопии с разрешением не только по углам (ARPES), но и по спинам. Сверхпроводимость топологического диэлектрика Bi2Se3 индуцируется за счет эффекта близости к сверхпроводнику NbSe2. Продемонстрирован спиральный характер дираковских поверхностных состояний в Bi2Se3 (рис. 3).


Изображение

Рис. 3. Слева – дисперсия квазичастиц в пленке Bi2Se3 по данным ARPES.
Белые кружки и крестики схематически показывают экспериментально определенное направление спиновой текстуры на поверхности пленки.
Справа – данные ARPES с разрешением по спинам для зависимости спиновой
поляризации от энергии при импульсе, отмеченном слева белой пунктирной линией.

Изображение
Рис. 4. Результаты модельных расчетов угловой зависимости параметра сверхпроводящего порядка D в пленке Bi2Se3
(DS – синглетная компонента, DT – триплетная компонента).

При низких (1¸4 К) температурах наблюдались четко выраженные когерентные пики и почти изотропная сверхпроводящая щель, уменьшающаяся по мере нагревания до 7 К. Экспериментальные данные по угловой зависимости щели согласуются с модельными расчетами для (px±ipy)-волнового параметра сверхпроводящего порядка (рис. 4), что подтверждает спиральную природу куперовского спаривания в Bi2Se3.

В дальнейшем представляет интерес проверить наличие в топологических сверхпроводниках предсказанной теоретиками суперсимметрии, проявляющейся в данном случае как симметрия между топологическими поверхностными состояниями (фермионными возбуждениями) и флуктуациями сверхпроводящего параметра порядка (бозонными возбуждениями). Следствиями такой симметрии должна быть одинаковая величина характерной скорости элементарных возбуждений и их собственной энергии (времени жизни), см. рис. 5. В физике элементарных частиц суперсимметричные партнеры элементарных частиц ни разу не наблюдались. Может, повезет твердотельщикам?

Изображение

Рис. 5. Иллюстрация предполагаемой фермион-бозонной
суперсимметрии в топологических дираковских сверхпроводниках.


Л.Опенов

1. S.-Y. Xu et al., Nature Phys. 10, 943 (2014).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 32837
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Сверхпроводимость, БКШ, успехи, странности и непонятности

Номер сообщения:#67   morozov » Ср дек 24, 2014 1:50

Андреевские связанные состояния в k-(BEDT-TTF)2Cu(NCS)2
как признак фазы Фулде-Феррела-Ларкина-Овчинникова

В сверхпроводниках с синглетным типом спаривания куперовские пары образованы электронами с противоположными импульсами и спинами, так что суммарный импульс каждой пары равен нулю. Очень сильные (близкие к Hc2) магнитные поля индуцируют разбаланс числа электронов со спинами “вверх” и “вниз”, в результате чего возникает экзотическая фаза Фулде-Феррела-Ларкина-Овчинникова (ФФЛО) с конечным импульсом куперовских пар и чередованием “нормальных” областей со “сверхпроводящими”. Эта фаза была предсказана давно, но неоспоримых экспериментальных свидетельств ее существования найти долго не удавалось. В работе [1] (Франция, Япония, США) при исследовании ЯМР-спектров органического сверхпроводника k-(BEDT-TTF)2Cu(NCS)2 (см. рис.) обнаружены топологические андреевские связанные состояния, образованные спин-поляризованными пространственнолокализованными квазичастицами, что авторы считают верным признаком ФФЛО-фазы.

Изображение

Фазовая диаграмма k-(BEDT-TTF)2Cu(NCS)2



Л.Опенов

1. H.Mayaffre et al., Nature Phys. 10, 928 (2014).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 32837
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Сверхпроводимость, БКШ, успехи, странности и непонятности

Номер сообщения:#68   morozov » Вт дек 30, 2014 15:00

“Вонючая” сверхпроводимость при 190 К

Максимальная критическая температура купратных ВТСП составляет Tc = 133 К при атмосферном давлении и Tc = 164 К при очень большом. Поскольку природа сверхпроводимости купратов так до сих пор и не понята, то перспективы найти еще более высокотемпературные сверхпроводники в этом классе соединений остаются туманными. Между тем старая добрая теория БКШ дает четкие ориентиры, где искать: среди материалов с высокочастотными фононами, сильным электрон-фононным взаимодействием и большой плотностью электронных состояний на уровне Ферми. Если все эти условия выполняются, то Tc будет высокой вне зависимости от того, нравится вам фононный механизм куперовского спаривания или нет. А выполняются они в металлическом водороде и ковалентных водородсодержащих соединениях. Для последних теория дает Tc = 100 ÷ 235 К, но на эксперименте Tc выше 17 К не наблюдалась.

Изображение
Зависимость температуры сверхпроводящего перехода от давления: синие и черные символы разные серии экспериментов для H2S, красные кружки - D2S, желто-серые кружки - чистая сера, серые звездочки - результаты расчетов [2] для H2S.


В работе [1] группа из Max-Planck Institut für Chemie (Германия) обнаружила, что при сжатии сероводорода H2S до P > 150 ГПа это дурно пахнущее в нормальных условиях вещество становится сверхпроводником с Tc = 190 К. О сверхпроводимости свидетельствует 1) резкое падение удельного сопротивления, которое становится на два порядка меньше, чем у меди; 2) понижение Tc при увеличении магнитного поля; 3) сильный изотопический эффект при замещении водорода на дейтерий (фононный механизм!?). Авторы высказывают предположение, что за сверхпроводимость ответственны гидриды SHn с n > 2, образующиеся при диссоциации H2S.


Л.Опенов

1. A.P.Drozdov et al., arXiv:1412.0460 (2014).

2. Y.Li et al., J. Chem. Phys. 140, 040901 (2014).
_______________________________________
Ну, для подтверждения нужен еще и диамагнетизм. Это видимо не просто сделать....
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 32837
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Сверхпроводимость, БКШ, успехи, странности и непонятности

Номер сообщения:#69   morozov » Сб янв 31, 2015 15:47

Колоссальный термомагнитный отклик в экзотическом сверхпроводнике URu2Si2

В большинстве сверхпроводников флуктуации параметра порядка, обусловленные наличием несконденсированных куперовских пар выше Tc, хорошо описываются теориями гауссовых флуктуаций. На эксперименте информацию о сверхпроводящих флуктуациях дает эффект Нернста, который заключается в возникновении электрического поля E(║y), перпендикулярного градиенту температур ÑT(║x) и магнитному полю H(║z). В работе [1] (Япония, США) сообщается о наблюдении колоссального сигнала Нернста в тяжелофермионном сверхпроводнике URu2Si2 с Tc = 1.45 К. Коэффициент Нернста на шесть порядков больше, чем должно быть для гауссовых флуктуаций, и увеличивается с ростом времени рассеяния носителей на примесях, что также не согласуется со стандартными моделями. Авторы объясняют полученные результаты новым типом флуктуаций, связанных с нарушением симметрии параметра сверхпроводящего порядка относительно обращения времени (хиральная фаза или фаза Берри).

1. T.Yamashita et al., Nature Phys. 11, 17 (2015).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

FENIMUS
Сообщения: 984
Зарегистрирован: Пн мар 31, 2008 11:57
Контактная информация:

Re: Сверхпроводимость, БКШ, успехи, странности и непонятности

Номер сообщения:#70   FENIMUS » Чт мар 05, 2015 10:39

Сверхпроводимость из супер молекул грозится побить рекорды..
http://www.dailytechinfo.org/np/6786-al ... -tipa.html

Изображение

Недавно, группа исследователей из USC, возглавляемая профессором Виталием Кресиным (Vitaly Kresin), обнаружила некоторые доказательства возможности существования еще одного семейства сверхпроводящих материалов, работающих при высоких температурах. Основой этого открытия стал обычный алюминий, который переходит в сверхпроводящее состояние при температуре около 1 градуса Кельвина. Однако, существует понятие так называемых "суператомов", группы атомов, расположенных особым образом, которые при некоторых условиях ведут себя как один большой атом, и материал, состоящий из суператомов алюминия, переходит в сверхпроводящее состояние уже при температуре в 100 градусов Кельвина.

Изображение

Исследователи создали ряд суператомов, в которых насчитывалось от 32 до 95 атомов алюминия. Эксперименты показали, что в суператомах, насчитывающих по 37, 44, 66 и 68 атомов, уже при температуре в 100 градусов Кельвина начались процессы формирования устойчивых Куперовских электронных пар, наличие которых и превращает материал в сверхпроводник.

Исследователи полагают, что создание суператомов из атомов различных материалов позволит открыть сверхпроводящие материалы, работающие при более высоких температурах, нежели 100 градусов. "Сто градусов Кельвина не является верхним барьером для сверхпроводников" - рассказывает профессор Кресин, - "Это является только начальной температурой, при которой могут работать сверхпроводящие суператомы".

В своих дальнейших исследованиях ученые нацелились на поиски суператома, который может состоять не только из атомов одного вещества, но и содержать атомы других веществ. И это, в конце концов, может привести к обнаружению сверхпроводящего материала, который будет работоспособен при обычной температуре окружающей среды. Стоит ли упоминать, что наличие такого материала окажет огромное влияние на мир электроники, рентгенографии, микроскопии и произведет революцию во многих других областях науки и техники.

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 32837
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Сверхпроводимость, БКШ, успехи, странности и непонятности

Номер сообщения:#71   morozov » Чт мар 05, 2015 16:08

Ну, это еще не сверхпроводимость... но ОЧЕНЬ интересно.

..а для практического применения (как оказалось) важны еще и критические поля и токи... очень важна технологичность способность сохранять сверхпроводящие свойства длительное время... скоро сорок лет ВТСП, а магниты делают из традиционных сверхпроводников.
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 32837
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Сверхпроводимость, БКШ, успехи, странности и непонятности

Номер сообщения:#72   morozov » Сб май 02, 2015 1:16

Джозефсоновские вихри: что внутри?

Если два сверхпроводника (S) разделить тонкой перегородкой из нормального металла (N), то получится так называемый SNS контакт. Эффект близости приводит к тому, что в N-области этого контакта индуцируется сверхпроводящая щель, и поэтому электрический ток может протекать через него без диссипации. При увеличении магнитного поля H критический ток как функция H осциллирует. Каждая осцилляция соответствует проникновению в N-барьер одного джозефсоновского вихря, несущего один квант магнитного потока. Сейчас активно обсуждается возможность использования джозефсоновских вихрей в квантовой информатике (кубиты), а также для изготовления источников когерентного терагерцового излучения.


Изображение
Рис. 1. Вверху – топографическое СТМ-изображение участка образца,
состоящего из сверхпроводящих островков Pb толщиной 12-14 монослоев
(желтый цвет) и атомарно тонкого смачивающего слоя (wetting layer, WL)
аморфного свинца (коричневый цвет).

Размер изображения 1000×1000 нм2.

Внизу – схематический вид поперечного сечения образца



В работе [1] (Франция, Испания, Бразилия, Бельгия) исследованы туннельные спектры джозефсоновских вихрей в сетке сверхпроводящих нанокристаллов Pb с Tc = 6.5 К, связанных друг с другом посредством металлического смачивающего слоя Pb (рис. 1). В отсутствие магнитного поля из спектров туннельной проводимости (рис. 2) видно, что в островках сверхпроводящая щель D = 1.2 мэВ, в нормальном смачивающем слое щели нет, а между близко расположенными островками (то есть в области SNS контакта) имеется небольшая индуцированная щель.



Изображение

Рис. 2.Локальная туннельная проводимость в точках,
отмеченных на рис. 1 (T = 0.3 K << Tc; Н = 0).





В поперечном магнитном поле с Н = 60 мТл на карте туннельной проводимости отчетливо видны джозефсоновские вихри. Их коры расположены в нормальных областях между сверхпроводящими островками. Неожиданно для себя авторы [1] обнаружили, что индуцированная эффектом близости щель в корах отсутствует (рис. 3), то есть, коры вихрей находятся в нормальном состоянии. Это наблюдалось во всех изученных SNS контактах.



ИзображениеИзображение

Рис. 3. Локальная туннельная проводимость в различных областях SNS контакта при (a) H=0 и
(b) H = 60 мТл. Яркое желтое пятно в центре нормальной прослойки отвечает джозефсоновскому вихрю.
Он окружен двумя сверхпроводящими джозефсоновскими связями (синий цвет).



Таким образом, джозефсоновские вихри можно распознавать с помощью СТМ. Анализ процессов формирования и эволюции вихрей показал, что они возникают вследствие квантовой интерференции андреевских квазичастиц. Сделан вывод, что создавать джозефсоновские вихри и управлять ими можно чисто электрическими методами, не прибегая к услугам магнитного поля, а просто пропуская сверхток через контакты. Это важно с точки зрения интеграции большого числа сверхпроводниковых квантовых устройств на одном чипе.

Л.Опенов

1. D.Roditchev et al., Nature Phys. 11, 332 (2015).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 32837
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Сверхпроводимость, БКШ, успехи, странности и непонятности

Номер сообщения:#73   morozov » Ср май 06, 2015 11:33

Сверхпроводниковая спинтроника

Одной из основных целей спинтроники является создание информационных устройств, в которых логические операции будут контролироваться спиновыми токами, а потому осуществляться быстрее и эффективнее, нежели в современных электронных (зарядовых) цепях с полупроводниковыми транзисторами. Кроме того, спинтроника находит применение в считывающих головках жестких дисков, функционирующих на основе эффекта гигантского магнитосопротивления. Ключевое требование спинтроники заключается в достаточно медленной релаксации спиновой поляризации, чтобы можно было управлять спиновыми токами и считывать результаты операций с ними. Однако в твердых телах типичное спиновое время жизни очень мало из-за спин-орбитального взаимодействия и процессов рассеяния с переворотом спина. Поэтому остро стоит задача поиска путей увеличения этого времени. И помочь здесь могут сверхпроводники. Этой сравнительно новой области – сверхпроводниковой спинтронике – посвящен обзор [1] (Норвегия, Великобритания), в котором изложены теоретические основы взаимосвязи и взаимозависимости сверхпроводящего и магнитного порядков, суммированы известные экспериментальные данные и намечены направления дальнейших исследований.

В сверхпроводнике не существует квазичастиц с энергией E меньше сверхпроводящей щели D. Если же E > D, то спин такой квазичастицы всегда 1/2, но вот ее эффективный электрический заряд сильно зависит от E. При E >> D он равен -|e| (электрон) или +|e| (дырка), а при E » D близок к нулю из-за почти одинаковой амплитуды электронных и дырочных возбуждений в волновой функции квазичастицы (спин-зарядовое расслоение). Отсутствие у квазичастиц заряда защищает их от диссипации и декогерентизации при взаимодействии друг с другом и с зарядовым шумом. Кроме того, при E » D средняя скорость квазичастиц очень мала, поэтому их время рассеяния на дефектах и примесях (в том числе магнитных) гораздо больше, чем в нормальном состоянии. Как результат, время жизни проекции спина в сверхпроводнике может быть на много порядков больше, чем в ферромагнитном металле, что и требуется для спинтроники (рис. 1а).
ИзображениеИзображение

Рис. 1. a – Иллюстрация использования сверхпроводников в спинтронике
для создания спин-поляризованных токов квазичастиц и триплетных куперовских пар;
b-d – схематическое изображение типичных приложений сверхпроводниковой спинтроники,
включая джозефсоновские контакты (b), бислои (c) и спиновые вентили (d).


Стандартный подход к созданию спинового тока заключается в поляризации электронных спинов при пропускании обычного (несверхпроводящего) тока по ферромагнитному материалу. Сверхпроводящий ток, попав в ферромагнетик из сверхпроводника с синглетным типом спаривания (полный спин куперовской пары S = 0), тоже может стать спин-поляризованным. Дело в том, что при рассеянии квазичастицы на границе сверхпроводник/ферромагнетик изменение фазы ее волновой функции зависит от проекции ее спина, и поэтому синглетные куперовские пары преобразуются в триплетные с S = 1 (рис. 2а), то есть возникает спиновый ток. Так как магнитное поле не разрушает триплетные пары, то этот ток проникает в ферромагнетик на расстояние до нескольких сотен нанометров (рис. 2b). Спиновый ток из триплетных куперовских пар можно также индуцировать в триплетных (например, Sr2CuO4) и ферромагнитных (в тяжелофермионных соединениях урана) сверхпроводниках. Для этого, однако, требуются большие давления или субкельвинные температуры. Если спиновый ток переносится поляризованными по спину куперовскими парами, то он является бездиссипативным, то есть фактически это – спиновый сверхток.
ИзображениеИзображение

Рис. 2. a – Конверсия синглетных (S = 0) куперовских пар в триплетные (S = 1);
b – при наличии на границе сверхпроводник/ферромагнетик магнитной неоднородности
в ферромагнетике формируются дальнодействующие триплетные корреляции.


Сверхпроводниковый аналог спинового вентиля (рис. 1d) – еще один пример использования сверхпроводимости в спинтронике. Расположенный между двумя ферромагнетиками металлический спейсер заменяется на сверхпроводящий. Теперь создаваемое ферромагнетиками магнитное поле не просто влияет на сопротивление устройства инжектируемому току, а может переводить сверхпроводящий слой в нормальное состояние и обратно, что соответствует бесконечному магнитосопротивлению.

Для осознанного конструирования сверхпроводниковых спинтронных приборов нужно понять, как влияют друг на друга сверхток и конкретная конфигурация намагниченности, а также разобраться в сложных взаимоотношениях сверхпроводящего и ферромагнитного порядков в реальных неравновесных условиях. По-видимому, существенную роль здесь играют андреевские связанные состояния. И, наконец, гибридные устройства ферромагнетик/сверхпроводник со спин-зависимым туннелированием должны демонстрировать большой термоэлектрический эффект, что может найти практическое применение в нанодатчиках температуры и нанокулерах.

Л.Опенов

1. J.Linder, J.W.A.Robinson, Nature Phys. 11, 307 (2015).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 32837
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Сверхпроводимость, БКШ, успехи, странности и непонятности

Номер сообщения:#74   morozov » Пт май 29, 2015 23:53

Ангармонические фононы и сверхпроводимость в сероводороде

Если подтвердится недавнее сообщение [1] о сверхпроводимости сероводорода H2S при Tc = 190 К и P = 200 ГПа, то длительное время удерживаемый купратами рекорд (133 К) будет побит. А пока теоретики выясняют, какая из фаз, на которые H2S разлагается при высоком давлении, ответственна за сверхпроводимость и пытаются вычислить ее Tc из первых принципов (при этом никто не сомневается в фононном механизме спаривания). В работе [2] (Франция, Великобритания, Китай, Канада) показано, что при учете нулевых колебаний H2S может разлагаться как на H3S и серу, так и на H3S и HS2. Для H3S численное решение уравнений Мигдала-Элиашберга дает Tc = 194 К при P = 200 ГПа. Авторы подчеркивают важную роль ангармонизма изгибных колебаний связей H-S. Заметим, что в [2] кулоновский псевдопотенциал m* фактически играл роль подгоночного параметра (согласие с экспериментом было достигнуто при m* = 0.16). Это оставляет чувство некоторого неудовлетворения такими “первопринципными” расчетами. Наверное, неслучайно для статьи не нашлось места в таких журналах, как Nature и Science.

Л.Опенов

1. A.P.Drozdov et al., arXiv:1412.0460 (2014).

2. I.Errea et al., Phys. Rev. Lett. 114, 1570014 (2015).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 32837
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Сверхпроводимость, БКШ, успехи, странности и непонятности

Номер сообщения:#75   morozov » Вс авг 23, 2015 13:53

Сверхпроводимость по краевым спиральным модам в двумерном топологическом диэлектрике

При достаточно низких температурах на поверхности трехмерных топологических диэлектриков наблюдается так называемая топологическая сверхпроводимость – экзотическое состояние вещества с нулевыми модами Майораны, которые подчиняются неабелевой статистике и представляют интерес для топологических квантовых вычислений. Аналогичный эффект был недавно обнаружен в работе [1] (Нидерланды, Швейцария), но уже для двумерного топологического диэлектрика – полупроводниковой квантовой ямы InAs/GaSb (рис. 1), в которой топологическая сверхпроводимость осуществляется по краевым спиральным модам (рис. 2). О топологической природе сверхтока свидетельствует 2F0-периодичность зависимости туннельного тока контакта
S-InAs/GaSb-S от поперечного магнитного поля.
Изображение
Рис. 1. Поперечное сечение слоистой структуры с квантовой ямой InAs/GaSb.

Изображение
Рис. 2. Схематическое изображение электронных энергетических зон (вверху), профиля распределения плотности критического тока (в центре) и зависимости критического тока от магнитного поля (внизу) для случаев, когда уровень Ферми находится в одной из разрешенных зон (a) и в топологической щели (b).
Розовым и зеленым цветами изображен линейный закон дисперсии спиральных краевых мод, пересекающий топологическую щель. Стрелки показывают направление электронных спинов. На зависимостях Ic(Bz) сплошные линии – для обычного СКВИДа, пунктирная линия – для краевых мод.

1. V.S.Pribiag et al., Nature Nanotech. 10, 593 (2015).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Ответить

Вернуться в «Дискуссионный клуб / Debating-Society»