Жоғары температуралы күшті өткізгіштіктің құпиясы әлі де ашылмаған күйде
Unconventional superconductor
Жоғары температуралы суперөткізгіштер, BCS теориясына бағынбайды. Электрондық механизмдер, d толқындары & бөлме температурасында суперөткізгіштік ізделуде.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Қолданыстағы қалыптасқан теориялармен түсіндірілмейтін суперөткізгіш материалдар.
Superconductive materials not explained by existing established theories
Конвенциялық емес суперөткізгіштер – бұл қалыптасқан BCS теориясына немесе оның кеңейтулеріне сәйкес келмейтін суперөткізгіштік көрсететін материалдар.
Unconventional superconductors are materials that display superconductivity which does not conform to conventional BCS theory or its extensions.
Ағымдағы зерттеулер
Жиырма жылдан астам қарқынды зерттеулерге қарамастан, жоғары температуралық суперөткізгіштіктің пайда болу себебі әлі де анық емес, бұл теориялық конденсирленген заттар физикасының ең маңызды шешілмеген мәселелерінің бірі болып табылады. Алайда, дәстүрлі суперөткізгіштікке тән электрон-фонон тартылыс механизмдерінің орнына, нақты электрондық механизмдер (мысалы, антиферромагниттік корреляциялар арқылы) орын алып жатқан сияқты. Сонымен қатар, s толқынды жұптасудың орнына d толқындары маңызды. Көптеген зерттеулердің мақсаты – бөлме температурасында суперөткізгіштікке қол жеткізу. Қарқынды зерттеулер мен көптеген перспективалы нәтижелерге қарамастан, ғалымдар әзірге түсініксіздіктің алдында тұр. Бұған себеп – зерттелетін материалдардың көбінесе өте күрделі, көп қабатты кристалдар (мысалы, BSCCO) екендігі, бұл теориялық модельдеуді қиындатады.
After more than twenty years of intensive research, the origin of high temperature superconductivity is still not clear, being one of the major unsolved problems of theoretical condensed matter physics. But it seems that instead of electron phonon attraction mechanisms, as in conventional superconductivity, genuine electronic mechanisms (e. g. by antiferromagnetic correlations) are occurring. In addition, instead of s wave pairing, d waves are substantial. One goal of much research is room temperature superconductivity. Despite intensive research and many promising leads, an explanation has so far eluded scientists. One reason for this is that the materials in question are generally very complex, multi layered crystals (for example, BSCCO), making theoretical modeling difficult.
Мүмкін механизмдер
Конденсацияланған материя физикасының ең даулы тақырыбы жоғары температуралық суперөткізгіштіктің (ЖТС) механизмі болды. ЖТС-ке қатысты екі негізгі теория бар: (Сондай-ақ, резонанстық валентті байланыс теориясын қараңыз)
The most controversial topic in condensed matter physics has been the mechanism for high Tc superconductivity (HTS). There have been two representative theories on the HTS : (See also Resonating valence bond theory )
Әлсіз біріктіру теориясы
Біріншіден, жоғары температуралық құбылыстың (HTS) допингтелген жүйеде антиферромагниттік спиннің флуктуациялары арқылы пайда болатыны ұсынылған. Осы әлсіз байланыс теориясына сәйкес, HTS-тің жұптасу толқындық функциясы dx2−y2 симметриясына ие болуы тиіс. Осылайша, жұптасу толқындық функциясының симметриясы d симметриясы болып табылады ма, жоқ па, спиннің флуктуациясына қатысты HTS механизмін көрсету үшін өте маңызды. Яғни, егер HTS реттеу параметрі (жұптасу толқындық функциясы) d симметриясына ие болмаса, онда спиннің флуктуацияларымен байланысты жұптасу механизмі жоққа шығарылуы мүмкін. Туннельдік эксперимент (төменде қараңыз) кейбір HTS-де d симметриясын анықтайтын сияқты.
Firstly, it has been suggested that the HTS emerges by antiferromagnetic spin fluctuation in a doped system. According to this weak coupling theory, the pairing wave function of the HTS should have a dx2−y2 symmetry. Thus, whether the symmetry of the pairing wave function is the d symmetry or not is essential to demonstrate on the mechanism of the HTS in respect of the spin fluctuation. That is, if the HTS order parameter (pairing wave function) does not have d symmetry, then a pairing mechanism related to spin fluctuation can be ruled out. The tunnel experiment (see below) seems to detect d symmetry in some HTS.
Қабаттар аралық жалғау үлгісі
Екіншісі, қабаттар арасындағы байланыс моделі бар, онда BCS түріндегі (s симметриясы) суперөткізгіштен тұратын қабатты құрылым өзінің суперөткізгіштігін күшейте алады. Әрбір қабат арасына қосымша туннельдік өзара әрекеттесуді енгізу арқылы, бұл модель жоғары температуралық суперөткізгіштегі (HTS) тәртіп параметрінің анизотроптық симметриясын және HTS-тің пайда болуын сәтті түсіндірді. Бұл шешілмеген мәселені шешу үшін фотоэлектрондық спектроскопия, ЯМР, нақты жылуды өлшеу сияқты көптеген эксперименттер жүргізілді. Алайда, нәтижелер әртүрлі болды, кейбір зерттеулер HTS үшін d симметриясын, ал басқалары s симметриясын қолдады. Бұл беймаз жағдай, мүмкін, эксперименттік дәлелдердің тікелей болмауынан, сондай-ақ үлгі сапасы, қоспалардың шашырауы, қос түзілуі сияқты эксперименттік мәселелерден туындаған болуы мүмкін.
Secondly, there is the interlayer coupling model, according to which a layered structure consisting of BCS type (s symmetry) superconductor can enhance the superconductivity by itself. By introducing an additional tunneling interaction between each layer, this model successfully explained the anisotropic symmetry of the order parameter in the HTS as well as the emergence of the HTS. In order to solve this unsettled problem, there have been numerous experiments such as photoelectron spectroscopy, NMR, specific heat measurement, etc. Unfortunately, the results were ambiguous, where some reports supported the d symmetry for the HTS but others supported the s symmetry. This muddy situation possibly originated from the indirect nature of the experimental evidence, as well as experimental issues such as sample quality, impurity scattering, twinning, etc.
Супербұзарт
2022 жылдың қыркүйегінде Вэйцзён Чен, Дж.С. Сеамус Дэвис және Х. Эисиаки сияқты түрлі зерттеушілерден алынған үміттендіретін тәжірибелік нәтижелер электрондардың супербайланысы жоғары температуралық суперөткізгіштіктің ең мүмкін себебі екенін көрсетті.
Promising experimental results from various researchers in September 2022, including Weijiong Chen, J. C. Séamus Davis and H. Eisiaki revealed that superexchange of electrons is possibly the most probable reason for high temperature superconductivity.
HTS реттік параметрінің симметриясы бойынша алдыңғы зерттеулер
HTS реттік параметрінің симметриясы ядролық магниттік резонанс өлшемдері арқылы және жақында бұрыштық ажыратымды фотоэмиссия және HTS кристалдарындағы микротолқынның ену тереңдігін өлшеу арқылы зерттелді. NMR өлшемдері атомның айналасындағы жергілікті магнит өрісін анықтап, материалдың магниттік қабылдағыштығын көрсетеді. Бұл өлшемдер HTS материалдары үшін ерекше қызығушылық тудырады, себебі көптеген зерттеушілер спиндік корреляциялардың HTS механизміне қатысы болу мүмкіндігін қарастырды. YBCO-дағы резонанстық жиіліктің NMR өлшемдері мыс оксидті суперөткізгіштердегі электрондардың спиндік синглеттік күйде жұптасқандығын көрсетті. Бұл көрсеткіш Найт ығысуының мінез-құлқынан көрінді, ол ішкі өріс қолданылған өрістен өзгеше болғанда болатын жиілік ығысуы. Қалыпты металдарда, зертене жатқан ионның жанындағы өткізгіш электрондардың магниттік моменттері қолданылған өріспен бір бағытта орналасып, күштірек ішкі өріс тудырады. Бұл металдар суперөткізгіштікке өткенде, қарама-қарсы спиндерге ие электрондар жұптасып, синглеттік күй құрайды. Анизотропты HTS-де, NMR өлшемдері мыстың релаксация жылдамдығы қолданылған статикалық магнит өрісінің бағытына байланысты екенін көрсетуі мүмкін, егер статикалық өріс мыс оксиді жазықтығындағы бірінен параллель болса, жылдамдық жоғарылайды. Бұл байқау кейбір топтардың HTS-тің d симметриясын қолдаса, басқалары оны байқамады. Сонымен қатар, ену тереңдігін өлшеу арқылы HTS реттік параметрінің симметриясын зерттеуге болады. Микротолқынның ену тереңдігі сыртқы өрісті сынамалауға жауапты суперсұйық тығыздықпен анықталады. s толқынындағы BCS теориясында, жұптар Δ арақашықтығы бойынша термиялық түрде қоза алады, сондықтан температураның өзгеруіне байланысты суперсұйық тығыздықтың өзгеруі экспоненциалдық мінез-құлыққа ие, яғни exp(Δ/kBT). Бұл жағдайда, ену тереңдігі де температурамен экспоненциалды түрде өзгереді. Егер энергиялық саңылауда түйіндер болса, d симметриясындағыдай, электрондық жұптар оңай бұзылуы мүмкін, суперсұйық тығыздығы температураға күшті тәуелді болуы керек, ал ену тереңдігі төмен температурада T күші ретінде өседі деп күтіледі. Егер симметрия dx2y2 болса, ену тереңдігі төмен температурада T-мен сызықты өзгеруі керек. Бұл әдіс суперөткізгіштерді зерттеуде жиі қолданылады, бірақ қолданылуы негізінен қол жетімді бір кристаллдардың сапасымен шектеледі. Фотоэмиссиялық спектроскопия да HTS симметриясы туралы ақпарат бере алады. Кристаллдағы электрондарға фотондарды шашырату арқылы электрондардың энергия спектрлерін анықтауға болады. Техника шығарылған электрондардың бұрышына сезімтал болғандықтан, Ферми бетіндегі әртүрлі толқындық векторлардың спектрін анықтауға болады. Алайда, бұрыштық ажыратымды фотоэмиссиялық спектроскопияның (ARPES) ажыратымдылығы шегінде, зерттеушілер саңылаудың нөлге теңесетінін немесе жай ғана өте кішкентай болатынын анықтай алмады. Сонымен қатар, ARPES тек саңылаудың шамасына ғана сезімтал, оның таңбасына емес, сондықтан саңылаудың қандай да бір сәтте теріс болатынын анықтай алмайды. Бұл ARPES HTS реттік параметрінің d симметриясына ие екенін немесе жоқ екенін анықтай алмайды дегенді білдіреді.
The symmetry of the HTS order parameter has been studied in nuclear magnetic resonance measurements and, more recently, by angle resolved photoemission and measurements of the microwave penetration depth in a HTS crystal. NMR measurements probe the local magnetic field around an atom and hence reflect the susceptibility of the material. They have been of special interest for the HTS materials because many researchers have wondered whether spin correlations might play a role in the mechanism of the HTS. NMR measurements of the resonance frequency on YBCO indicated that electrons in the copper oxide superconductors are paired in spin singlet states. This indication came from the behavior of the Knight shift, the frequency shift that occurs when the internal field is different from the applied field: In a normal metal, the magnetic moments of the conduction electrons in the neighborhood of the ion being probed align with the applied field and create a larger internal field. As these metals go superconducting, electrons with oppositely directed spins couple to form singlet states. In the anisotropic HTS, perhaps NMR measurements have found that the relaxation rate for copper depends on the direction of the applied static magnetic field, with the rate being higher when the static field is parallel to one of the axes in the copper oxide plane. While this observation by some group supported the d symmetry of the HTS, other groups could not observe it. Also, by measuring the penetration depth, the symmetry of the HTS order parameter can be studied. The microwave penetration depth is determined by the superfluid density responsible for screening the external field. In the s wave BCS theory, because pairs can be thermally excited across the gap Δ, the change in superfluid density per unit change in temperature goes as exponential behavior, exp( Δ/kBT). In that case, the penetration depth also varies exponentially with temperature T. If there are nodes in the energy gap as in the d symmetry HTS, electron pair can more easily be broken, the superfluid density should have a stronger temperature dependence, and the penetration depth is expected to increase as a power of T at low temperatures. If the symmetry is specially dx2 y2 then the penetration depth should vary linearly with T at low temperatures. This technique is increasingly being used to study superconductors and is limited in application largely by the quality of available single crystals. Photoemission spectroscopy also could provide information on the HTS symmetry. By scattering photons off electrons in the crystal, one can sample the energy spectra of the electrons. Because the technique is sensitive to the angle of the emitted electrons one can determine the spectrum for different wave vectors on the Fermi surface. However, within the resolution of the angle resolved photoemission spectroscopy (ARPES), researchers could not tell whether the gap goes to zero or just gets very small. Also, ARPES are sensitive only to the magnitude and not to the sign of the gap, so it could not tell if the gap goes negative at some point. This means that ARPES cannot determine whether the HTS order parameter has the d symmetry or not.
Бұл шаңқабас жағдайды еңсеру үшін тапқыр эксперименттік жоба жасалды. YBa2Cu3O7 (YBCO) үш түйірлі сақинасындағы жұптық туннельдеу және флюс кванттауға негізделген эксперимент, YBCO-дағы реттік параметрдің симметриясын тексеру мақсатымен жоспарланды. Мұндай сақина үш YBCO кристаллынан тұрады, олардың нақты бағыттары d толқынының жұптасу симметриясына сәйкес келеді, бұл трикристаллдың кездесу нүктесінде спонтанды түрде пайда болатын жартылай бүтін кванттық вихрьге алып келеді. Бұған қоса, осы трикристалл экспериментінде түйіспе интерфейстерінің таза шекте (кемшіліктерсіз) немесе максималды зигзаг тәрізді бұзылыстармен болу мүмкіндігі ескерілді. Бірінші трикристалл жұптасу симметриясы экспериментінде Цуэй, Киртли және авторлар тобы тетрагональды Tl2Ba2CuO6-та таза dx2 y2 реттік параметрлік симметриясы бар екенін көрсетті.
There was a clever experimental design to overcome the muddy situation. An experiment based on pair tunneling and flux quantization in a three grain ring of YBa2Cu3O7 (YBCO) was designed to test the symmetry of the order parameter in YBCO. Such a ring consists of three YBCO crystals with specific orientations consistent with the d wave pairing symmetry to give rise to a spontaneously generated half integer quantum vortex at the tricrystal meeting point. Furthermore, the possibility that junction interfaces can be in the clean limit (no defects) or with maximum zig zag disorder was taken into account in this tricrystal experiment. In the first tricrystal pairing symmetry experiment, Also, it was demonstrated by Tsuei, Kirtley et al. that there was a pure dx2 y2 order parameter symmetry in the tetragonal Tl2Ba2CuO6.