g u t x .com.tr İpek yolu - Çin'i anlamaya götürürüm

Süperiletken "Küçük Çağ" Sayı 23: Renkli ve ayrılmaz

Aynı şekilde binlerce değişiklik.

"Xunzi · Konfüçyüsçülük"

Her şeyin mikrodan makroya sürekli değiştiği, sürekli değişen bir dünyada yaşıyoruz. Evrenin genişlemesi, güneşin kaynaşması, dünyanın ve ayın dönüşü, dört mevsimin değişmesi, bulutlarda yuvarlanan bulutlar, çiçeklerin çiçek açması ve düşmesi, hücre metabolizması, moleküler titreşimler, bulutları oluşturan elektronlar vb. Değişen dünya çok karmaşık görünüyor, ama aynı zamanda temel unsurları da içeriyor. Fizik kanunları. Tıpkı renkli bir fraktal grafik gibi, son derece karmaşık görünüyor, ancak aslında birkaç basit kesirli boyutun sonucudur (Şekil 1). Karmaşıklık ve basitlik arasında yalnızca bir pencere kağıdı katmanı vardır. Sözde "dikey ve yatay yön kareden dışarı çıkamaz, değişim atalarından ayrılamaz", Monkey King'in yetmiş iki değişikliği olmasına rağmen maymun kuyruğunu gizleyemez. Değişikliklerin ortasında, her zaman takip edilecek bazı değişmeyen özler vardır.

Şekil 1 Muhteşem ve renkli fraktal harita (www.58pic.com'dan)

Bakır oksit yüksek sıcaklıkta süper iletken malzemelerin temel özelliği "kararsız" dır. Karmaşık fiziksel davranışları arasında süperiletkenlik bunlardan sadece biridir. Yüksek sıcaklık süperiletkenlerinin fiziksel özelliklerini net bir şekilde anlamak, fiziğin temel yasalarını bulmak ve süperiletkenliğin fiziksel sürecini derinlemesine anlamak, süper iletken fizikçiler için on yıllardır en sorunlu sorunlardan biri haline geldi.

Bakır oksit yüksek sıcaklıkta süper iletken malzemelerin karmaşık ve değişken davranışının en belirgin tezahürü, genellikle çok garip ve karmaşık elektronik durum faz diyagramlarına sahip olmalarıdır. Yani, elektronik sistem çeşitli karmaşık ve kararlı durumlarda görünebilir. Önce kaba elektronik durum diyagramını anlayalım (Şekil 2). Bakır oksit süper iletken malzemenin matrisi (La2CuO4 gibi) bir antiferromanyetik Mott yalıtkanıdır, içindeki bakır iyonu spinleri antiferromanyetik olarak düzenlenmiştir ve bakır iyon çekirdeği dışındaki elektronların sayısı yarı dolu bir kabuk halindedir. Genel anlamda, bu tür bir malzeme metalik durumda olmalıdır, ancak tam tersini yapar. Yalıtılmış durumda bir antiferromıknatısdır. Bu yalıtımlı duruma fizikçi Mott'un adı verilmiştir. Bir sonraki makalede, biz Daha fazla açıklanacaktır. Böyle bir yalıtkan için, içindeki taşıyıcı konsantrasyonu çok düşüktür ve iletime katılabilecek hemen hemen hiç taşıyıcı yoktur. Süper iletken hale getirmek için, "katkılı" olarak adlandırılmalıdır, yani elektron veya delik taşıyıcıları sokmanın bir yolunu bulmalıdır. Oksijen içeriği veya metal iyon ikamesi ayarlanarak elde edilebilir Örneğin, La2CuO4 ile La'dan daha düşük bir valans durumuna sahip La2CuO4 dopingi delik tipi doping ve Ce ile La'dan daha yüksek valans durumuna sahip doping elektronik dopingdir. çeşitli. Delik tipi doping ve elektronik tip doping, bakır oksit süper iletken malzemelerin elektronik faz diyagramının iki ana parçasını oluşturur. İki parça tamamen simetrik değildir Genel olarak konuşursak, delik tipi dopingin maksimum süper iletkenlik sıcaklığı elektronik tip katkılamadan daha yüksektir ve oluşan süperiletken bölge de daha büyüktür. Ana gövdeleri bile tam olarak aynı değildir, yapı olarak benzer olmalarına rağmen biraz farklıdırlar Katkılı antiferromanyetik bölgeler de farklıdır. Bakır oksidin "doğal" süperiletken olmadığı faz diyagramından görülebilir.Süperiletken kritik sıcaklığı, doping konsantrasyonunun değişmesiyle değişebilir.İlk süperiletken olmama durumundan süperiletkenliğin ortaya çıkmasına kadar, Kritik sıcaklık artmaya devam eder ve sonra maksimuma ulaştıktan sonra diğer taraf süper iletken bölge olmayana kadar düşer. Kritik sıcaklığın en yüksek olduğu doping noktasına "optimal doping", bu doping konsantrasyonunun altındaki bölgeye "underdoping" ve bu doping konsantrasyonunun üzerindeki bölgeye "overdoping" diyoruz. Bu tür "değişken" süperiletkenlik, yüksek sıcaklıkta süperiletken malzemelerin araştırılmasında büyük zorluklar getirir.Doğru yapı ve eleman bileşimini bulsanız ve doğru doping noktalarını bulamasanız bile, malzeme süper iletken değildir. Matrisi bir yalıtkan olan orijinal bakır oksit, uygun doping ile metalikliğe ayarlanmalıdır ve düşük sıcaklıklarda süperiletkenlik oluşturmak mümkündür.Bu, Benoz ve Muller'in yüksek sıcaklık süperiletkenliğini keşfetmeleri için doğru açma yöntemidir. Bu nedenle, bir dereceye kadar, yüksek sıcaklıkta süperiletkenliğin keşfi, aynı zamanda şans ve zorlukların bir arada varoluşudur.

Şekil 2 Bakır oksit yüksek sıcaklık süper iletken malzemenin kaba elektronik durum diyagramı (www.mrsec.umn.edu'dan)

Farklı katkılı bölgelerde, sürekli değişen süperiletkenliğe ek olarak, elektronların gerçek durum davranışı çok daha karmaşıktır. Daha detaylı elektronik durum faz diyagramından bir göz atabiliriz (Şekil 3, Şekil 4). Delik tipi bakır oksit yüksek sıcaklık süper iletken malzemeler için, elektronların yükü, dönüşü ve yörüngesi düzenli bir durum oluşturabilir. Ana gövdedeki antiferromanyetik sekans, spin sıralı bir durumdur Katkılama arttıkça, antiferromanyetik sekans bastırılmaya devam edecek ve aynı zamanda spin sekansının başka bir durumuna - spin cam durumuna geçebilir. Dönme makroskopik ölçekte düzensizdir, ancak yerel ölçekte sipariş edildiği görülmektedir. Süperiletkenlik, kuantum sıralı yük ve dönüş durumudur.Süperiletkenlikten sorumlu Cooper çiftleri hala geleneksel metal süperiletkenlerle aynıdır. Bunlar, zıt dönüşlere ve zıt momentuma sahip "uçan kanatlar" elektron çiftleridir. Kararlı düşük enerji konfigürasyonu. Süperiletken bölgenin üstünde ve altında, birkaç yük-sıralı durum oluşturulabilir - yük yoğunluğu uzayda atomik kafesinkinden farklı bir süre ile dağıtılır. Düşük katkılı bölgede düzenli bir elektron yörünge durumu da oluşturulabilir. En sıkıntılı şey, süper iletken bölgenin, yani kritik sıcaklığın üzerindeki normal durum bölgesinin üzerinde, sözde "sözde boşluk durumları", "tekil metal durumları" ve "Fermi sıvı durumları", vb. Olmasıdır. Özelliklerin karmaşıklığı, daha sonra kısaca açıklayacağımız, metallerin elektronik durumuna ilişkin anlayışımızı bile aşabilir (Şekil 3). Pek çok sıralı elektronik durum, sıfır sıcaklıkta doping konsantrasyonunun değişmesiyle indüklenen faz geçişine atfedilebilir. Karşılık gelen doping noktası aynı zamanda kuantum kritik nokta olarak da adlandırılır. Bu mümkündür (sadece mümkündür ve bunlarla sınırlı değildir) Bunun kritik noktası, Şekil 3'teki pmin, pc1, pc2, pmax, vb. Elektronik katkılı bakır oksit yüksek sıcaklık süperiletken malzemenin ince elektronik durum faz diyagramı nispeten basittir.Çok fazla garip normal durum davranışına sahip değildir, ancak yine de antiferromanyetik durumu ve süperiletken durumu korur ve ikisi arasında hala vardır Birlikte yaşama alanı (Şekil 4). Elbette, normal durumda La2-xCexCuO4'ün direnç davranışını dikkatlice incelerseniz, direnç sıcaklık indeksi n'nin farklı katkılı bölgelerde çok farklı olduğunu ve üçünün bir kuantum kritik noktaya xC ulaşabileceğini göreceksiniz. Benzer Fermi yüzeylerinin katkılama evrimi de başka bir kritik nokta xFS'ye eğilimlidir.

Şekil 3 Delik tipi bakır oksit yüksek sıcaklıkta süper iletken malzemenin ince elektronik faz diyagramı

Şekil 4 Elektronik bakır oksit yüksek sıcaklık süperiletken malzemenin ince elektronik durum faz diyagramı (www.nature.com'dan)

Peki, bu kadar tuhaf elektronik durumlara bakmak bile baş ağrısına neden olmak için yeterli, değil mi? Gerçek bundan çok uzak! Yukarıdakiler buzdağının sadece görünen kısmı. Örneğin, delik tipi bakır oksitteki deliklerin konumları her zaman rastgele dağılmadığından, bazı durumlarda seri olarak bağlanırlar ve sabit bir fraksiyonel periyodik yapı oluştururlar. Bu yapı altında, yükler, dönüşler ve kafeslerin tümü, "şerit fazı" olarak adlandırılan belirli bir sıralı durumu oluşturur (Şekil 5). Faz diyagramını yeterince dikkatli bir şekilde incelersek, süperiletken bölgenin tam olarak simetrik olmadığını ve ekseni olarak en iyi katkıyı bulacağız. Dahası, belirli belirli katkı noktalarında süperiletkenlik, aslında bir şerit fazı oluşturan La2-xBaxCuO4'ün x = 1/8 doping noktası gibi, aniden kaybolacaktır. Ayrıca süperiletkenliği son derece "zayıf" olan ve gök gürültüsüyle yenilemeyen bazı katkılı noktalar da vardır Çevreleyen katkılı noktalar tavlama ve diğer yollarla "sihirli sayı" katkılı noktalar olarak adlandırılan bu katkılı noktalara düşecektir. Kristal kafesin simetrisi ile birleşen malzemedeki deliklerin ve elektronların dağılımına göre, matematiksel yöntemlerle "sihirli sayının" taşıyıcı konsantrasyonunun bir dizi (2m + 1) / 2n (m ve n tamsayıdır) olduğu sonucuna varılabilir. Garip skor (Şekil 6), 1/8 bunlardan sadece biri! Görünüşe göre bakır oksidin yüksek sıcaklık süperiletkenliği belirli bir "sihir ustası" tarafından perde arkasında kontrol ediliyor.

Şekil 5 Bakır oksit yüksek sıcaklıklı süper iletken malzemelerin "şerit fazındaki" yük, spin ve kafes düzenlemesinin şematik diyagramı (qcmd.mpsd.mpg.de'den)

Şekil 6 "Sihirli sayı" ((2m + 1) / 2n) yüksek sıcaklık süper iletken malzemelerdeki doping noktaları (Stanford Üniversitesi'nden Zhang Shousheng tarafından sağlanmıştır)

Bakır oksit yüksek sıcaklıkta süper iletken malzemeler için bu kadar değişken olan değişmeyen bir "maymun kuyruğu" var mı? Elbette var ve çok değil. "Sihirli sayı" taşıyıcıları da bunlardan biri olarak kabul edilebilir. Şimdiye kadar, kaç "sihirli sayı" nın güvenilir olduğu belirsizdir. Daha ileri bir örnek vermek gerekirse, spin etkileşimi açısından, yıllarca süren sıkı çalışmalardan sonra, bilim adamları kabaca bazı "evrensel yasalar" buldular. Çoğu bakır oksit süperiletken malzeme için, spin uyarma spektrumları, yani dinamik spin etkileşimi, momentum ve enerji dağılımında ortak bir "kum saati" dağılım ilişkisine sahiptir. Sıfır enerjiye yakın manyetik olarak uyarılmış durum yoktur, spinle ilgili bir enerji boşluğu vardır.Manyetik uyarma meydana geldiğinde, dört kat simetrik bir momentum dağılımı vardır.Enerji arttıkça, momentum uzayındaki dağılım yakın bir noktaya küçülecektir. , Ve sonra dağıtımı yeniden genişletti. Tıpkı toplumdaki bazı güzel kadınların iri göğüslerin, ince bellerin ve geniş kalçaların estetiğinin tüm öfke olması gibi, bu "kum saati" spin uyarma spektrumu bakır oksit süper iletken malzemelerde her yerde bulunur (Şekil 7) . Sadece bu değil, spin etkileşimi açısından bilim adamları, spin-uyarılmış durumun süperiletken durumla bir "rezonans etkisine" sahip olacağını, yani belirli bir enerjinin yakınındaki spin uyarımının aniden süperiletken kritik sıcaklığın altına artacağını keşfettiler. "Spin rezonansı" olarak adlandırılır (Şekil 8). Spin rezonansı genellikle belirli bir momentum uzay alanında yoğunlaşır ve enerji ve momentum dağılımı genellikle "kum saatinin" beline karşılık gelir, yani spin uyarımı momentum uzayının en yoğun olduğu noktaya yakındır. Spin rezonansının merkez enerjisinin çoğu zaman süperiletken kritik sıcaklık ile orantılı olması çok şaşırtıcıdır. Diğer bir deyişle, spin rezonans enerjisi ne kadar yüksekse, süperiletken kritik sıcaklık o kadar yüksek olur. Bu nedenle, bilim adamları şu anda genel olarak bakır oksit yüksek sıcaklık süperiletkenliğinin oluşumunun sistemin spin etkileşimi ile yakından ilişkili olduğuna ve spinlerin süperiletkenliği nasıl etkilediğini ve nasıl etkileşime girdiğini veya yüksek sıcaklıkta süperiletkenliği nasıl açtığını açıkça anladığına inanıyorlar. Mekanizma kapısının altın anahtarı.

Şekil 7 "Kum saati" dönüş uyarımı, gerçek kum saati ve "kum saati" kadın figürü, bakır oksit yüksek sıcaklıklı süper iletken malzemelerden (www.nature.com ve www.parisciel.com'dan)

Şekil 8 Yüksek sıcaklıklı süper iletken malzemelerdeki spin rezonans fenomeni (sot.net/en202385'ten)

Kısacası, geleneksel metal alaşımlı süper iletkenlerle karşılaştırıldığında, bakır oksit yüksek sıcaklıkta süper iletken malzemelerin fiziksel özellikleri son derece karmaşıktır ve birçok fenomen, geleneksel katı malzemeleri anlayışımızın bile ötesindedir. Bakır oksit yüksek sıcaklıkta süper iletken malzemeler de tipik geleneksel olmayan süper iletken malzemelerdir ve süper iletken mekanizmaları geleneksel BCS teorisi ile açıklanmanın çok uzağındadır. Bu karmaşık fenomenin ardındaki fiziksel doğayı görmek, bakır oksit mekanizması çalışmasının anahtarı ve gelecekte daha yüksek kritik sıcaklıkta süper iletken malzemelerin araştırılmasına rehberlik etmenin temelidir. Bilim adamları bazı şüpheli ipuçları bulmuş olsalar da, nihai yüksek sıcaklık süperiletken mikroskobik mekanizmaya gitmek için hala uzun bir yol var. Gelecekte hala çok çalışmamız gerekiyor!

Referanslar

Peitgen H, Jürgens H, Saupe D. Chaos and Fractals: New Frontiers of Science, 2nd Edition Berlin: Springer, 2004

2011.html

Xiang Tao. D-dalgası süperiletken. Pekin: Science Press, 2007

Lee PA, Nagaosa N, Wen X G. Rev. Mod. Phys., 2006, 78: 17

Whitler J D, Roth R. S. Yüksek TC süperiletkenleri için Faz diyagramları Westerville: American Ceramic Society, 1991

Keimer B ve diğerleri Nature, 2015, 518: 179

Jin K ve diğerleri Nature, 2011, 476: 73

Tranquada J.M.Proc. SPIE, 2005, 5932: 59320C

Hucker M ve diğerleri Phys. Rev. B, 2011, 83: 104506

Komiya S ve diğerleri Phys. Rev. Lett., 2005, 94: 207004

Zaanen J.Doğa, 2011, 471: 314