A szupravezető kritikus hőmérsékletét mágneses mező növelheti • Yuri Erin • Tudományos hírek a "Elemekről" • Fizika

A szupravezető kritikus hőmérsékletét mágneses mező növelheti.

Ábra. 1. A szupravezetés fokozása párhuzamos mágneses mezővel egy ultrahangos amorf ólomfilmben. Abszolút (bal skála) és relatív (jobb oldalona) a kritikus hőmérséklet emelkedéseTc a Tc0 = 3,814 K film mágneses mező hiányában. A film vastagsága 21,1 Å. Abscissa tengely elhalasztott mágneses mező indukció. Ábra a tárgyalt cikkből Természetfizika

A szupravezetés az anyag kvantumállapotja, amely a külső jelzéseken kívül, körülbelülA rezisztencia és az abszolút immunitás meglétét egy mágneses mezőre jellemzi, egymással szinkronizált vezető elektronok párosa. Az elektronpárok szerkezetének és jellemzőinek köszönhetően egy bizonyos szint fölötti indukciójú mágneses mező csökkenti a szupravezető kritikus hőmérsékletét, vagyis a hőmérsékletet, amely alatt a szupravezetés jelensége valósul meg. Egy csapat amerikai tudósok, kísérleteket végeztek ultra-vékony (kb-9 m) amorf ólomfilmek azt találták, hogy egy erős mágneses mező ellenkezőleg növeli a kritikus hőmérsékletet.A kapott eredmény ellentmond a szupravezetés általánosan elfogadott elméletének.

A szupravezetés oka, vagyis a végtelenül magas vezetőképességű anyag és az ideális diamagnetizmus (külső mágneses mező extrudálása) előfordulása olyan párhuzamos vezető elektronok kialakulása, amelyek ezután szinkron módon viselkednek. Az ilyen egység lehetővé teszi, hogy az elektronok súrlódás nélkül áramlanak át az anyag kristályrácsján és a mágneses mező vonalak simán "visszaszorítsák a támadásokat".

Az általánosan elfogadott szupravezetés-mikroszkópos elmélet (Bardeen-Cooper-Schrieffer-elmélet vagy rövidített formában BCS) szerint az elektronpárok kialakulása akkor következik be, ha egy anyag hőmérséklete egy adott anyagnál egy bizonyos értéknél kisebb lesz – a kritikus hőmérséklet Tc. Alatti hőmérsékleten Tc Az elektronok a fononok cseréje révén vonzzák egymást és egy párat alkotnak, amelyet Cooper az amerikai elméleti fizikus Leon Cooper néven hívnak, aki ezt a jelenséget megjósolta. Most ez a vonzódás az elektron-fonon interakció; a kritikusnál alacsonyabb hőmérsékleten erősebbé válikmint a hasonlóan töltött részecskék Coulomb repulziója.

Fontos megjegyezni, hogy a BCS elméletben a Cooper párok kialakulása csak az ellenkező irányú impulzusokkal és pörgetésekkel rendelkező elektronoktól lehetséges. Éppen ellenkezőleg, az úgynevezett "szokatlan" szupravezetőkben, amelyek szupravezető tulajdonságait nem magyarázza a BCS elmélet, az elektron pörgetések irányai a Cooper párban egybeeshetnek.

A szupravezetés meghatározása lehetővé teszi számunkra, hogy megértsük, hogyan lehet elpusztítani. Az első módja a szupravezető hőmérsékletének a kritikus érték fölötti hőmérséklete. A második az, hogy erősítse a mágneses mezőt, hogy a szupravezető anyag már ne taszíthassa el a mező erőinek vonalát. Mikroszkopikus szinten a Cooper-párok hő általi megsemmisítését az Cooper-páros elektronok kötési energiájának csökkenésével magyarázzák. A mágneses mező növekedése esetén az elektronpárok pusztulását két hatás – paramágneses és orbitális – magyarázza. A paramágneses hatás a mágneses mező vágya, hogy az elektronok pörgetését a terepi vonaluk irányába igazítsa. Mivel a hátsók egy Cooper párban vannak,mint már említettük, akkor párhuzamos irányúak, akkor, ha egy erõs mágneses tér kiegyenesíti a párt egyik elektronjának "rossz" orientációját, energia szempontjából nem veszteséges, hogy folytassa létezését (a Pauli elve jár). Az orbitális hatás az, hogy mivel egy párban lévő elektronimpulzusok ellentétes irányban vannak irányítva, minden elektronon egy többirányú Lorentz-erő lép működésbe, amely a Cooper-pároknál a részecskékhez hasonlóan szétfeszíti a részecskéket, amelyek végeit különböző irányban húzzák.

Mindezekből az alábbi következtetést vonhatjuk le: a BCS elméletben nincs olyan mechanizmus, amely a Cooper-t jobban megerősítené egy mágneses mezőben, és így növelné a szupravezető kritikus hőmérsékletét. Ahhoz, hogy tisztességes legyen, érdemes megemlíteni, hogy vannak urán alapú vegyületek, amelyek az erős mágneses térben visszaállítják a korábban vesztett szupravezetést (lásd: Exotikus szupravezetés, erős mágneses mezőben, Elements, 2005. augusztus 30.). Azonban ezek a szupravezetők a már említett "szokatlan" kategóriába tartoznak, amelyre a BCS elmélet nem alkalmazható.Hogy a mágneses mező serkenti a szupravezetés újjászületését ezeken az anyagokban, még nem tisztázott a tudósok számára.

Ebben a tekintetben, megjelent a folyóiratban Természetfizika Az amerikai tudósok egy csoportjának kísérleteinek eredményei meglepőnek és nagyon váratlannak tűnnek. Ennek a műnek a szerzői az ultrahang kritikus hőmérsékletének növekedését jelentik (körülbelül 10 Å vastagság, 1 Å = 10-10 m) a növekvő mágneses mező indukcióval rendelkező ólomfóliák, amelyek erősségei a vizsgált minták felületével párhuzamosan helyezkednek el. A kapott eredmények eredetisége az, hogy az ólom az egyik "szokásos" szupravezetés, amelyhez a BCS elmélet tökéletesen működik. Ezért a mágneses mező indukálásának növekedésével a kritikus hőmérsékletnek egy négyzetes törvénynek megfelelően csökkennie kell.

Először is, néhány szó a kísérlet módszertanáról. Először a jelenség vizsgálata a 0-8 Tesla (T) mágneses mező indukcióinak tartományában zajlott le. Másodszor, a mágneses mező párhuzamosan a filmekhez képest merőleges irányba való elmozdulása azt eredményezte, hogy a minták kritikus hőmérséklete várhatóan csökken. Harmadszor, az ólomfilmek amorfak voltak.Más szóval, az anyagban nem volt kristályrács, és az atomok elrendezése rendezetlen volt. Az út során érdemes megjegyezni, hogy az ilyen szinte kétdimenziós (vagy, mint mondjuk, kvázi-kétdimenziós) ólomkonfigurációk kritikus hőmérséklete jelentősen függ a vastagságtól, és többszörösen kisebb lehet, mint az adott anyag tömeges mintáinak kritikus hőmérséklete, ami kb. 7,2 K.

Ábrán. 1 talán a cikk szerzőinek kísérleti kutatásának fő eredménye. Áttekszik a D növekedésérőlTc a 21,1 A vastagságú amorf ólomfilm kritikus hőmérséklete a hozzá alkalmazott párhuzamos mágneses mezőtől függően.

Érdekes módon ez a kapcsolat egyértelműen nem monoton jellegű. Maximális nagyítás Tc amikor a mágneses mező indukciója körülbelül 5 T. Annak megértéséhez, hogy mennyire nagy ez a szupravezető ólom, mondjuk, hogy az olyan masszív mintáknál, amelyek hõmérséklete közel áll az abszolút nulla értékhez, a szupravezetés csak 0,08 T. feletti indukcióval eltûnik.

Első pillantásra úgy tűnhet, hogy a növekedés nem annyira szignifikáns, csak 8% -kal, vagy abszolút egységekben 302 milliméterrel (lásd az 1. ábrát), de ennek a növekedésnek a ténye, és milyen hatalmas mágneses értékek a megfigyelt hatás egy szupravezetésben valósul meg, amelyre a mágneses mező, ahogyan az jól ismert, "ellenség".

Továbbá tanulmányaikban érdeklődtek a szerzők abban a kérdésben, hogy miként változik a kvázi-kétdimenziós minták kritikus hőmérséklete, ha vastagságukat megváltoztatják. A válasz a 6. ábrán látható. 2, ahol a növekedést mutató kísérleti adatok láthatóak. Tc nyolc különböző vastagságú filmhez.

Ábra. 2. A növekedés függősége ΔTc a kvázi-kétdimenziós amorf ólomfilmek kritikus hőmérséklete a vastagságukon (a grafikonon látható) párhuzamos mágneses mezőben. A legvékonyabb filmhez (piros négyzetek) A kritikus hőmérséklet mágneses mező hiányában Tc0 = 0,486 K, a legvastagabb (lila háromszögek), amely máris hatalmas háromdimenziós mintának tekinthető, Tc0 = 6.44 K. ábra a tárgyalt cikkből Természetfizika

Mint az 1. ábrán, ez a függőségnek is saját tulajdonságai vannak. Kiderült, hogy a kritikus hőmérséklet maximális növekedése nem a legvékonyabb film esetében valósul meg, hanem egy 21,1 Å vastagságú mintához (az 1. ábrán látható adatok). Általában szinte minden függőségi szint egybeesik a minőségi szinten: a kritikus hőmérséklet a mágneses mező bizonyos értékére emelkedik, majd a maximális, majd a monoton csökkenés következik be.

Mi lehet a jelenség oka, a kiadók szerzői továbbra is rejtély maradnak. A tudósok a cikkükben számos hipotézist terjesztenek elő, de az érvek heurisztikus jellegűek és nem jogosultak végső magyarázatra. Ezenkívül, amint azt a kutatók megjegyezték, a minták vastagságától, mágneses szennyeződésektől és más olyan anyagjellemzőktől függően, amelyek befolyásolhatják a kritikus hőmérséklet növekedését, a hatás méretét gondosan mérni kell.

Forrás: H. Jeffrey Gardner, Ashwani Kumar, Liuqi Yu, Peng Xiong, Maitri P. Warusawithana, LuyangWang, Oskar Vafek, Darrell G. Schlom. Szupravezetők javítása Természetfizika. 2011. V. 7. P. 895-900.

Yuri Yerin


Like this post? Please share to your friends:
Vélemény, hozzászólás?

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: