трусики женские украина

На головну

 У залізовмісних надпровідниках виявлений ізотопічний ефект - Наука і техніка

Відкриті два роки назад залізовмісні надпровідники відродили інтерес до однієї з найбільш інтригуючих фізичних проблем сучасності - побудові теорії високотемпературної надпровідності. Головною загадкою на шляху вирішення цього завдання залишаються невідомі і не поняті досі процеси всередині речовини, які відповідальні за його надпровідний стан і які дозволяють йому мати високу критичну температуру (температуру переходу з нормального стану в надпровідний). Японські вчені в журналі Physical Review Letters опублікували експериментальну роботу, результати якої можуть внести деяку визначеність у розуміння цих внутрішніх механізмів надпровідності з високою критичною температурою.

Кристалічна решітка BaFe2As2. Зображення з сайту www.natureasia.com

Надпровідність характеризується відсутністю електричного опору і ідеальним діамагнетизмом (абсолютним непроникнення магнітного поля всередину матеріалу). Вона виникає у речовин, які мають температуру нижче певного, характерного тільки для них значення. Така температура називається критичною (Tc).

Хоча надпровідність була відкрита голландським ученим Хейке Камерлинг-Оннесом вдобавок на початку минулого століття (в 1911 році), пояснено це явище було лише через приблизно 50 років (в 1957 році). Творцями теорії надпровідності прийнято вважати Джона Бардіна, Леона Купера і Джона Шриффера. Вони встановили, що речовина стає надпровідним завдяки об'єднанню електронів провідності в пари (іменовані куперовскими) та їх подальшої синхронізації. Іншими словами, всі електрони поводяться як єдине неподільне (жоден з електронів не прагне в цьому стані показати свою «індивідуальність») і завдяки цьому обтікають без будь-якого опору кристалічну решітку речовини.

Поява куперовских пар обумовлено складною взаємодією іонів кристалічної решітки і електронів. Електрони обмінюються безмасовими «майже» частками (квазічастинками) фононами - квантами коливального руху іонів. «Майже» - тому що фонони не можуть існувати у вільному стані, їх життя обмежене кристалічною решіткою. В результаті обміну квазічастинками переможе електронами з'являється тяжіння, що в свою чергу призводить до утворення куперовских пар. Описаний процес формування куперовских пар отримав найменування електрон-фононної взаємодії (механізму). Саме цей механізм і складає основу теорії надпровідності, або теорії БКШ, названої так за першими літерами прізвищ її авторів.

Треба сказати, що теорія БКШ, як і будь-яка інша фізична теорія, не виникла спонтанним чином. Вона стала підсумком послідовних експериментальних і теоретичних досліджень різних вчених. Серед цього різноманіття особливо варто виділити публікації англійського фізика Герберта Фреліха, який в 1950 році першим вказав на суттєву роль впливу іонів на електрони у виникненні надпровідності. Зі своєї ідеї професор зміг вивести висновок про те, що критична температура в сімействі ізотопів даного надпровідника повинна бути назад пропорційна квадратному кореню маси іона М (молекулярної маси), тобто Tc ~ M-? (значок «~» позначає пропорційність), де ? = 0,5. Простіше кажучи, чим більше молекулярна маса надпровідного речовини, тим менше його критична температура. Така залежність отримала найменування «ізотопічний ефект», або «ізотоп-ефект». У тому ж році Еммануель Максвелл виявив ізотопічний ефект в изотопах ртуті, що стало вагомим доказом правильності гіпотези Фреліха. Пізніше ізотоп-ефект був відкритий і у інших надпровідників (див. Таблицю 1).

Таблиця 1. Ізотопічного ефект в різних надпровідниках

Сверхпроводнік?Механізм сверхпроводімостіHg (ртуть) 0,5 ± 0,03фононнийTl (талій) 0,5 ± 0,1фононнийCd (кадмій) 0,5 ± 0,1фононнийMo (молібден) 0,33 ± 0,05фононний

La0,89Sr0,11CuO4

(Заміна 16О на 18О)

?0,07?

YBa2Cu3O7

(Заміна 16О на 18О)

?0,02?

* Знак питання означає, що вчені не знають справжньої причини формування куперовских пар і, відповідно, виникнення надпровідності.

Відзначимо, що в міркуваннях Фреліха йшлося про моноатомного надпровідниках, тобто матеріалах, утворених з одного хімічного елемента.

Коли в 1986-87 роках була виявлена ??високотемпературна надпровідність в купратних (медьсодержащіх) з'єднаннях La0,89Sr0,11CuO4 (Tc = 40 К) і YBa2Cu3O7 (Tc = 92 К) та ін., Вченим стало ясно, що стала вже класичної теорія БКШ НЕ в змозі її пояснити. БКШ-теорія не допускає існування такої високої критичної температури в речовинах з такою силою електрон-фононної взаємодії. На те, що не фонони змушують об'єднуватися електрони у високотемпературних надпровідниках (ВТНП), вказувало та відсутність у цих ВТНП ізотоп-ефекту по кисню - елементу, який поряд з міддю присутня у всіх відкритих згодом надпровідниках з високою Tc. Заміщення традиційного кисню 16О іншими його ізотопами надзвичайно слабо змінювало критичну температуру (див. Таблицю 1).

З тих пір ізотоп-ефект став розглядатися як незвичайний тест на причетність фононів до появи надпровідності. Якщо ? дорівнює або поблизу до 0,5, то в даному матеріалі куперовские пари (надпровідність) виникають за рахунок електрон-фононного тяжіння. В іншому випадку надпровідність викликана іншим механізмом.

Щоб виявити наявність або відсутність ізотоп-ефекту в надпровіднику, треба визначити показник ступеня ? в залежності Tc ~ M-?. Розрахувати ? з експериментальних даних не складно. Так як Tc ~ M-?, то герб рівності переможе критичною температурою і масою іона виникне, якщо переписати цю залежність у такому вигляді: Tc = const · M-? (const - це постійна величина, константа, яка від Tc і M не залежить ). Продифференцировав Tc по M і згадавши визначення похідної функції, отримаємо формулу:

,

де ?M і ?T відповідають різниці мас іонів і різниці критичних температур, що виникає при заміщенні іона його ізотопом. З цієї формули, спираючись на експериментальні дані, вчені і визначають ?, тобто наявність або відсутність изотопического ефекту.

Звичайно, ізотоп-ефект не дає прямої відповіді на найважливіше питання високотемпературної надпровідності: що змушує електрони в ВТНП об'єднуватися в пари? Однак він відіграє важливу роль в розплутуванні цієї загадки, зокрема дозволяє визначити ступінь причетності фононів до виникнення куперовских пар.

З відкриттям у 2008 році залізовмісних ВТНП пошуки причин виникнення високотемпературної надпровідності відновилися з новою силою. І, звичайно, в першу чергу вчених зацікавила величина вкладу електрон-фононної взаємодії в надпровідність «залізних» надпровідників. Чи буде цей внесок відмінний від нуля або він так само зневажливо малий, як і в купратних ВТНП? Один з можливих способів вирішення даної проблеми пов'язаний з виявленням (або незнаходженням) изотопического ефекту по залізу - речовині, що об'єднують «залізні» надпровідники в один клас.

Вперше ізотоп-ефект в залізовмісних ВТНП, а точніше, в полікристалічних з'єднаннях SmFeAsO1-xFx (х = 0,15) з Tc = 40 К і Ba1-xKxFe2As2 (х = 0,4) з Tc = 37 К був відкритий групою китайських учених в 2009 році. Замінюючи атоми природного (найбільш поширеного) заліза 56Fe ізотопом 54Fe, дослідники з'ясували, що показник ступеня ? знаходиться поблизу від 0,5 і імовірно дорівнює 0,35. З результатів експерименту вчені зробили висновок, що частково (частково - тому що ? одно не 0,5, а трохи менше - 0,35) куперовские пари формуються під дією електрон-фононної взаємодії, але безперечно, що кількісно цей процес класичною теорією БКШ не описати .

Історія з ізотопічним ефектом в залізовмісних надпровідниках отримала своє продовження в нещодавно опублікованій в журналі Physical Review Letters статті японських учених Inverse Iron Isotope Effect on the Transition Temperature of the (Ba, K) Fe2As2 Superconductor (доступної також тут). Вони зосередили свою увагу на ізотоп-ефект по залізу в полікристалах Ba1-xKxFe2As2 - надпровідника, в якому той же ефект по залізу досліджували їх китайські колеги.

Щоб досягти мінімальної гріхи в підсумкових результатах, автори статті приготували сім наборів з надпровідного Ba1-xKxFe2As2 по два зразки в кожному. Умови їх виробництва були абсолютно ідентичними. різниця полягала лише в хімічному складі, а точніше, у використанні при виготовленні надпровідника поряд із звичайним залізом (56Fe, у таблиці воно позначено як nFe) двох його інших стабільних ізотопів: 54Fe і 57Fe. припустимо, набір S2, як видно з таблиці, являє собою два однаково приготованих полікристала Ba1-xKxFe2As2, до складу яких входять ізотопи заліза-54 і 57 відповідно.

Таблиця 2. Критична температура, зрушення критичної температури і показник ступеня в ізотопічному ефекті по залізу в залежності від ізотопу Fe, що входить до складу надпровідних полікристалів Ba1-xKxFe2As2

З отриманих даних (див. Таблицю 2) вчені розрахували показник ступеня ? і виявили, що, по-перше, він відрізняється від нуля і в середньому дорівнює -0,18. По-друге, і це саме незвичайне, він має негативний герб, тобто чим важче іон заліза, що входить в надпровідник, тим вище критична температура. У переважній більшості надпровідники, якщо і володіють ізотоп-ефект, то для них ? - позитивне число.

Виникає протиріччя з результатами попередньої роботи по ізотоп-ефекту (див. Вище) автори статті пояснюють недосконалістю виготовлення полікристалів Ba1-xKxFe2As2, спираючись на можливу неточність в допирования досліджуваної речовини атомами калію.

Які висновки роблять з своєї роботи японські експериментатори? Нульове значення ? вказує на те, що фонони не можна скидати з рахунків в теорії надпровідності «залізних» ВТНП. Однак негативна величина ? говорить про те, що механізм електрон-фононної взаємодії, можливо, більш важкий, ніж описуваний в теорії БКШ. На підставі того, що ? в середньому дорівнює -0,18, а не 0,5, автори статті роблять таке здогад. На їхню думку, в залізовмісних ВТНП реалізується екзотичний механізм об'єднання куперовских пар: суміш «більш складного» електрон-фононної та обмінного взаємодій. В одній з минулих новин «Елементи» вже писали ймовірне обмінному механізмі формування пар електронів. Тому лише нагадаємо, що обмінна взаємодія частинок являє собою квантовий (пов'язаний з принципом заборони Паулі) аналог електростатичного взаємодії.

Таким чином, якщо теоретикам вдасться пояснити такий аномальний ізотоп-ефект у «залізних» ВТНП в рамках висловленої авторами обговорюваної статті гіпотези про змішаному взаємодію електронів, то не виключено, що природа високотемпературної надпровідності може прояснитися не тільки для даного класу надпровідників.

Джерело: Parasharam M. Shirage, Kunihiro Kihou, Kiichi Miyazawa, Chul-Ho Lee, Hijiri Kito, Hiroshi Eisaki, Takashi Yanagisawa, Yasumoto Tanaka, Akira Iyo. Inverse Iron Isotope Effect on the Transition Temperature of the (Ba, K) Fe2As2 Superconductor // Phys. Rev. Lett. 103, 257 003 (2009).

Список літератури

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://www.informbase.com.ua

Авіація і космонавтика
Автоматизація та управління
Архітектура
Астрологія
Астрономія
Банківська справа
Безпека життєдіяльності
Біографії
Біологія
Біологія і хімія
Біржова справа
Ботаніка та сільське господарство
Валютні відносини
Ветеринарія
Військова кафедра
Географія
Геодезія
Геологія
Діловодство
Гроші та кредит
Природознавство
Журналістика
Зарубіжна література
Зоологія
Видавнича справа та поліграфія
Інвестиції
Інформатика
Історія
Історія техніки
Комунікації і зв'язок
Косметологія
Короткий зміст творів
Криміналістика
Кримінологія
Криптологія
Кулінарія
Культура і мистецтво
Культурологія
Логіка
Логістика
Маркетинг
Математика
Медицина, здоров'я
Медичні науки
Менеджмент
Металургія
Музика
Наука і техніка
Нарисна геометрія
Фільми онлайн
Педагогіка
Підприємництво
Промисловість, виробництво
Психологія
Психологія, педагогіка
Радіоелектроніка
Реклама
Релігія і міфологія
Риторика
Різне
Сексологія
Соціологія
Статистика
Страхування
Будівельні науки
Будівництво
Схемотехніка
Теорія організації
Теплотехніка
Технологія
Товарознавство
Транспорт
Туризм
Управління
Керуючі науки
Фізика
Фізкультура і спорт
Філософія
Фінансові науки
Фінанси
Фотографія
Хімія
Цифрові пристрої
Екологія
Економіка
Економіко-математичне моделювання
Економічна географія
Економічна теорія
Етика

8ref.com

© 8ref.com - українські реферати


енциклопедія  бефстроганов  рагу  оселедець  солянка