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

 

Серебряный нанохаос
Серебряный нанохаос

На XXI Менделеевском съезде награждены выдающиеся ученые-химики
11 сентября 2019 года в Санкт-Петербурге на XXI Менделеевском съезде по общей и прикладной химии объявлены победители премии выдающимся российским ученым в области химии. Премия учреждена Российским химическим обществом им. Д.И.Менделеева совместно с компанией Elsevier с целью продвижения и популяризации науки, поощрения выдающихся ученых в области химии и наук о материалах.

Россия подала в ЮНЕСКО заявку на учреждение премии имени Менделеева для молодых ученых
Россия подала в ЮНЕСКО заявку на учреждение премии имени Менделеева для молодых ученых. Об этом премьер-министр РФ Дмитрий Медведев сообщил, открывая встречу с нобелевскими лауреатами, руководителями химических обществ, представителями международных и российских научных организаций.

Перст-дайджест
В новом выпуске бюллетеня «ПерсТ»: Синтез “перламутровых” нанокомпозитов с помощью бактерий. Оптомагнитный нейрон.Устойчивость азотных нанотрубок. Электронные характеристики допированных фуллереновых димеров.

Люди, создающие новые материалы: от поколения X до поколения Z
Е.В.Сидорова
Самые диковинные экспонаты научной выставки, организованной в Москве в честь Международного года Периодической таблицы химических элементов в феврале 2019 г., можно было рассмотреть только "вооруженным глазом»: Таблица Д.И.Менделеева размером 5.0 × 8.7 мкм и нанопортрет первооткрывателя периодического закона великолепно демонстрировали возможности динамической АСМ-литографии на сканирующем зондовом микроскопе. Миниатюрные произведения представили юные участники творческих конкурсов XII Всероссийкой олимпиады по нанотехнологиям, когда-то задуманной академиком Ю.Д.Третьяковым — основателем факультета наук о материалах (ФНМ) Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова. О том, как подобное взаимодействие со школьниками и студентами помогает сохранить своеобразие факультета и почему невозможно воплощать идею междисциплинарного естественнонаучного образования, относясь к обучению как к конвейеру, редактору журнала «Природа» рассказал заместитель декана ФНМ член-корреспондент РАН Е.А.Гудилин.

Как наночастицы применяются в медицине?
А. Звягин
В чем преимущества наночастиц? Как они помогают ученым в борьбе с раком? Биоинженер Андрей Звягин о наночастицах в химиотерапии, имиджинговых системах и борьбе с раком кожи.

Медицинская керамика: какими будут имплантаты будущего?
В.С. Комлев, Д. Распутина
Почему керамические изделия применяются в хирургии? Какие технологии используются для создания имплантатов? Материаловед Владимир Комлев о том, почему керамика используется в медицине, как на ее основе создаются имплантаты и какие перспективы у биоинженерии

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!

Опыт обучения в области нанотехнологического технопредпринимательства

В этом опросе мы просим поделиться опытом и Вашим отношением к нанотехнологическому технопредпринимательству и смежным областям. Заранее спасибо за Ваше неравнодушие!



 
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.