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

© 8ref.com - українські реферати
8ref.com