Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 

Постнаука. FAQ. Как были получены новые данные в изучении сверхпроводимости?

Ключевые слова:  видео, лекции, Постнаука, сверхпроводимость, сверхрешеточная модель, физика

Автор(ы):  Постнаука

25 августа 2014

В области исследования сверхпроводимости многое остается неизвестным, но исследование ученых из Оксфорда, опубликованное в журнале Nature, проливает свет на одну из давних загадок. В статье было заявлено о подтверждении сверхрешеточной модели образования «карманов», из которых и развивается сверхпроводимость. По просьбе ПостНауки это событие прокомментировал эксперт в области нанофизики, кандидат физико-математических наук Алексей Кавокин.

Сверхпроводимость — это одно из самых интересный физических явлений, открытых в XX веке. В 1911 году голландский физик и химик Хейке Камерлинг-Оннес обнаружил, что электрическое сопротивление ртути внезапно обращается в ноль, если охладить ртуть до температуры ниже 4.1 Кельвина. Таким образом проводимость металла обращается в бесконечность. Новое явление, названное сверхпроводимостью, было впоследствии обнаружено при низких температурах во многих металлах.

В течение долгого времени природа сверхпроводимости была загадкой. К описанию этого явления приложили руку многие выдающиеся физики, включая российских Нобелевских лауреатов Ландау, Гинзбурга, Абрикосова. В 1950-е годы элегантное объяснение сверхпроводимости предложили американские ученые Бардин, Купер и Шриффер. По первым буквам их фамилий предложенная ими модель была названа моделью БКШ. Эта модель предполагает, что проводимость металла обращается в бесконечность тогда, когда частицы, переносящие электрический ток, электроны, начинают образовывать пары, «танцевать» друг вокруг друга, сохраняя, впрочем, почтительное расстояние до своего визави. В отличие от одиночных электронов, которые движутся хаотически, сталкиваются друг с другом и образуют заторы, как машины на МКАД, пары электронов движутся плавно и стройно: так, если бы все московские автомобилисты поехали вдруг с одинаковой скоростью, ускоряясь и замедляясь одновременно, пробок не стало бы. Чтобы объяснить, как две частицы с одинаковым зарядом, которые должны были бы отталкиваться в соответствии с законом Кулона, известным каждому школьнику, начинают притягиваться и образовывать пары, БКШ предположили, что в процессе своего «вальса» электроны постоянно обмениваются квазичастицами, описывающими колебания кристаллической решетки, — фононами. Надо сказать, что притягивающие взаимодействия в мире элементарных частиц, как правило, так и возникают: частицы перебрасываются виртуальными мячиками, и это удерживает их вместе.

Модель БКШ с успехом объяснила имевшиеся в то время экспериментальные данные и считалась единственно верной до 1986 года, когда швейцарский физик Мюллер и его немецкий коллега Беднорц открыли сверхпроводимость в керамиках на основе химических элементов лантана, бария и меди, соединенных с кислородом. Сверхпроводимость в этой и других керамиках наблюдалась при гораздо более высоких температурах, чем в металлах, и была гораздо более устойчива к магнитному полю. Новые экспериментальные данные никак нельзя было объяснить в модели БКШ. Обмен фононами обеспечивает слишком слабое притяжение, в то время как пары электронов в высокотемпературных сверхпроводниках связывает гораздо более мощное взаимодействие неизвестной пока природы.

Между тем новые эксперименты вызвали сенсацию: казалось, еще немного, и сверхпроводимость будет обнаружена при комнатной температуре, что приведет к технологической революции мирового масштаба. Мюллер и Беднорц получили Нобелевскую премию, сотни лабораторий начали изучать высокотемпературные сверхпроводники, физики-теоретики начали ломать голову над новой моделью сверхпроводимости. Несмотря на колоссальные усилия ученых до сих пор в этой области физики остается больше вопросов, чем ответов. Единая теория высокотемпературной сверхпроводимости до сих пор не построена, а значит, нет и рецепта, как сделать сверхпроводник с более высокой критической температурой. До сих пор рекордная температура, при которой удалось наблюдать сверхпроводимость, остается существенно ниже, чем -100 градусов Цельсия.

Работа группы Лонзариха из знаменитой Кавендишской лаборатории Кембриджа (стены этой лаборатории помнят Томсона, Резерфорда и Капицу) — это маленький шаг к разгадке тайны высокотемпературной сверхпроводимости. Ученые из Кембриджа взяли одну из наиболее популярных сверхпроводящих керамик и поместили ее в магнитное поле колоссальной величины — до 100 Тесла. Для сравнения: магнитное поле Земли примерно в миллион раз слабее. В магнитных полях такой силы разрушаются даже очень крепко держащиеся друг за друга пары электронов: поле растаскивает их в разные стороны. Появляется возможность изучить геометрию так называемой «сферы Ферми» — поверхности постоянной энергии (именуемой энергией Ферми) в пространстве скоростей электронов. При нулевой температуре все электроны имеют энергию меньше или равную энергии Ферми, в то время как все энергетические состояния с более высокой энергией пусты. Геометрия сферы Ферми чрезвычайно важна для понимания механизма возникновения электронных пар: именно электроны, находящиеся на поверхности Ферми, переносят электрический ток, следовательно, именно они должны формировать пары. Двигаясь друг вокруг друга, танцуя своеобразный «вальс», они перемещаются по поверхности Ферми.

В 2007-2008 годах несколько групп физиков пришли к мысли, что в сверхпроводящих керамиках поверхность Ферми образует карманы. Специфическая форма таких карманов может объяснить колоссальную энергию связи электронных пар. Одни группы связывали появление карманов с волнами зарядовой плотности, создающими сверхрешеточный потенциал в кристалле, то есть периодическую последовательность максимумов и минимумов электронной плотности. Их оппоненты отрицали нарушение симметрии кристаллической решетки. Эксперимент, поставленный в Кембридже, убедительно продемонстрировал, что правы были сторонники сверхрешеточной модели. Измерить геометрию Ферми оказалось возможным, прогоняя электронный уровень Ферми (энергию Ферми) по лестнице уровней квантования электрона в магнитном поле — так называемых уровней Ландау, предсказанных советским физиком Львом Ландау еще в 1930 году.

Двигать уровень Ферми можно, приложив к образцу керамики электрическое поле. Проводимость образца осциллирует при прохождении уровня Ферми через уровни Ландау. По положению и амплитуде этих осцилляций можно восстановить геометрию поверхности Ферми. Итак, результат получен: карманы возникают из-за волны зарядовой плотности, которая нарушает симметрию кристаллической решетки и приводит к формированию электронной сверхрешетки.

Решило ли это наблюдение загадку высокотемпературной сверхпроводимости? Конечно, нет. Неясной остается и причина возникновения электронной сверхрешетки, и механизм притяжения электронов друг к другу, и многое другое. Хорошая теория должна предсказывать новые эффекты, указывать путь к достижению сверхпроводимости при более высоких температурах. Такой теории пока нет. Наука не стоит на месте. Очень вероятно, что сверхпроводимость еще ждет великое будущее. Если все-таки удастся пронаблюдать это явление при комнатной температуре, станет возможным транспортировать без потерь огромные потоки электроэнергии, строить летательные аппараты на магнитной подушке, делать сверхбыстрые компьютеры и многое другое.

Источник: Постнаука

 

 


Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

Гриб на редкоземе
Гриб на редкоземе

Наносистемы: физика, химия, математика (2019, том 10, № 5)
Опубликован новый номер журнала "Наносистемы: физика, химия, математика". Ознакомиться с его содержанием, а также скачать необходимые Вам статьи можно по адресу: http://nanojournal.ifmo.ru/articles/volume10/10-5
Там же можно скачать номер журнала целиком.

Заочный тур по комплексу предметов наноолимпиады открыт
Опубликованы задания заочного тура для школьников 7 - 11 классов по комплексу предметов "химия, физика, математика, биология" XIV Всероссийской Интернет-олимпиады по нанотехнологиям "Нанотехнологии - прорыв в будущее!".

Успехи химии - самый цитируемый российский научный журнал
Успехи химии - самый цитируемый российский научный журнал по данным Journal Citation Reports за 2018 г., импакт - фактор 4.612, пятилетний 4.263, квартиль Q1.

Лекция про Дмитрия Ивановича и Наномир на Фестивале науки
Е.А.Гудилин и др., Фестиваль науки
В дни Фестиваля науки «NAUKA 0+» на Химическом факультете МГУ ведущие ученые познакомили слушателей с самыми современными достижениями химии. Ниже приводится небольшой фоторепортаж 1 дня и расписание лекций.

Как правильно заряжать аккумулятор?
Д. М. Иткис
Химик Даниил Иткис о том, как правильно заряжать аккумуляторы гаджетов и почему телефон выключается на холоде

Постлитийионные аккумуляторы
В. А. Кривченко
Физик Виктор Кривченко о перспективных видах аккумуляторов, фундаментальных проблемах в производстве литий-серных источников тока и преимуществах постлитийионных аккумуляторов

Технонано

Технопредпринимательство - идея, которая принесет свои плоды при бережном культивировании и взращивании. И наша наноолимпиада, и Наноград от Школьной Лиги РОСНАНО, и проект Стемфорд, и другие замечательные инициативы - важные шаги на пути реализации этой и других идей, связанных с развитием новых высоких технологий в нашей стране и привлечением молодых талантов в эту вполне стратегическую область. Ниже приведен небольшой опрос, который позволит и нам, и вам понять, а что все же значит этот модный термин, и какова его суть.

Технопредпринимательство на марше

Мы традиционно просим вас высказать свои краткие суждения по вопросу технопредпринимательства и проектной деятельности школьников. Для нас очевидно, что под технопредпринимательством и под проектной деятельностью школьников каждый понимает свое, но нам интересно ваше мнение, заодно вы сможете увидеть по мере прохождения опроса, насколько оно совпадает или отличается от мнения остальных. Ждем ваших ответов!

О наноолимпиаде замолвите слово...

Прошла XII Всероссийская олимпиада "Нанотехнологии - прорыв в Будущее!" Мы надеемся, что нам для улучшения организации последующих наноолимпиад поможет электронное анкетирование. Мы ждем Ваших замечаний, пожеланий, предложений. Спасибо заранее!



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.