Реферат: В железосодержащих сверхпроводниках обнаружен изотопический эффект

Открытыедва года обратножелезосодержащиесверхпроводникивозродилиинтерес к однойиз самых интригующихфизическихпроблем современности— построениютеории высокотемпературнойсверхпроводимости.Главной загадкойна пути решенияэтой задачиостаются неизвестныеи не понятыедо сих пор процессывнутри вещества, которые ответственныза его сверхпроводящеесостояние икоторые позволяютему иметь высокуюкритическуютемпературу(температуруперехода изнормальногосостояния всверхпроводящее).Японские ученыев журнале PhysicalReview Letters опубликовалиэкспериментальнуюработу, результатыкоторой могутвнести некоторуюопределенностьв пониманиеэтих внутреннихмеханизмовсверхпроводимостис высокой критическойтемпературой.

/>

Кристаллическаярешетка BaFe2As2.Изображениес сайта www.natureasia.com

Сверхпроводимостьхарактеризуетсяотсутствиемэлектрическогосопротивленияи идеальнымдиамагнетизмом(абсолютнымнепроникновениеммагнитногополя внутрьматериала). Онавозникает увеществ, которыеимеют температуруниже определенного, характерноготолько для нихзначения. Такаятемператураназываетсякритической(Tc).

Хотясверхпроводимостьбыла открытаголландскимученым ХейкеКамерлинг-Оннесомвдобавок вначале прошлоговека (в 1911 году), объяснено этоявление былолишь спустяпримерно 50 лет(в 1957 году). Создателямитеории сверхпроводимостипринято считатьДжона Бардина, Леона Купераи Джона Шриффера.Они установили, что веществостановитсясверхпроводящимблагодаряобъединениюэлектроновпроводимостив пары (именуемыекуперовскими)и их дальнейшейсинхронизации.Иными словами, все электроныведут себя какединое неделимое(ни один изэлектроновне стремитсяв этом состояниипоказать свою«индивидуальность»)и благодаряэтому обтекаютбез какого-либосопротивлениякристаллическуюрешетку вещества.

Появлениекуперовскихпар обусловленосложным взаимодействиемионов кристаллическойрешетки и электронов.Электроныобмениваютсябезмассовыми«почти» частицами(квазичастицами)фононами —квантамиколебательногодвижения ионов.«Почти» — потомучто фононы немогут существоватьв свободномсостоянии, ихжизнь ограниченакристаллическойрешеткой. Врезультатеобмена квазичастицамипромеж электронамипоявляетсяпритяжение, что в свою очередьприводит кобразованиюкуперовскихпар. Описанныйпроцесс формированиякуперовскихпар получилнаименованиеэлектрон-фононноговзаимодействия(механизма).Именно этотмеханизм исоставляетоснову теориисверхпроводимости, или теории БКШ, названной такпо первым буквамфамилий ееавторов.

Надосказать, чтотеория БКШ, каки любая другаяфизическаятеория, не возникласпонтаннымобразом. Онастала итогомпоследовательныхэкспериментальныхи теоретическихисследованийразличныхученых. Средиэтого многообразияособо стоитвыделить публикациианглийскогофизика ГербертаФрлиха, которыйв 1950 году первымуказал насущественнуюроль влиянияионов на электроныв возникновениисверхпроводимости.Из своей идеипрофессор смогвывести заключениео том, что критическаятемпературав семействеизотопов данногосверхпроводникадолжна бытьназад пропорциональнаквадратномукорню массыиона М (молекулярноймассы), то естьTc ~ M–α(значок«~» обозначаетпропорциональность), где α= 0,5. Проще говоря, чем большемолекулярнаямасса сверхпроводящеговещества, темменьше егокритическаятемпература.Такая зависимостьполучила наименование«изотопическийэффект», или«изотоп-эффект».В том же годуЭммануэльМаксвелл обнаружилизотопическийэффект в изотопахртути, что явилосьвеским доказательствомправильностигипотезы Фрлиха.Позже изотоп-эффектбыл открыт иу других сверхпроводников(см. таблицу1).

Таблица1. Изотопическийэффект в различныхсверхпроводниках

СверхпроводникαМеханизмсверхпроводимостиHg(ртуть)0,5±0,03фононныйTl(таллий)0,5±0,1фононныйCd(кадмий)0,5±0,1фононныйMo(молибден)0,33±0,05фононный

La0,89Sr0,11CuO4

(замена16О на 18О)

≈0,07?

YBa2Cu3O7

(замена16О на 18О)

≈0,02?

*Знаквопроса означает, что ученые незнают истиннойпричины формированиякуперовскихпар и, сообразно, возникновениясверхпроводимости.

Отметим, что в рассужденияхФрлиха речьшла о моноатомныхсверхпроводниках, то есть материалах, образованныхиз одного химическогоэлемента.

Когдав 1986-87 годах былаобнаруженавысокотемпературнаясверхпроводимостьв купратных(медьсодержащих)соединенияхLa0,89Sr0,11CuO4 (Tc = 40 К) и YBa2Cu3O7 (Tc = 92 К)и др., ученымстало ясно, чтоставшая ужеклассическойтеория БКШ нев состоянииее объяснить.БКШ-теория недопускаетсуществованиястоль высокойкритическойтемпературыв веществахс такой силойэлектрон-фононноговзаимодействия.На то, что нефононы заставляютобъединятьсяэлектроны ввысокотемпературныхсверхпроводниках(ВТСП), указывалои неимение уэтих ВТСПизотоп-эффектапо кислороду— элементу, который нарядус медью присутствуетво всех открытыхвпоследствиисверхпроводникахс высокой Tc.Замещениетрадиционногокислорода 16Одругими егоизотопамичрезвычайнослабо изменялокритическуютемпературу(см. таблицу1).

С техпор изотоп-эффектстал рассматриватьсякак необыкновенныйтест на причастностьфононов к появлениюсверхпроводимости.Если αравноили близ к 0,5, тов данном материалекуперовскиепары (сверхпроводимость)возникают засчет электрон-фононногопритяжения.В противномслучае сверхпроводимостьвызвана иныммеханизмом.

Чтобывыявить наличиеили неимениеизотоп-эффектав сверхпроводнике, надобно определитьпоказательстепени αв зависимостиTc ~ M–α.Рассчитатьα изэкспериментальныхданных не сложно.Так как Tc ~ M–α, то гербравенствапромеж критическойтемпературойи массой ионавозникнет, еслипереписатьэту зависимостьв таком виде:Tc = const·M–α(const — этопостояннаявеличина, константа, которая от Tc иM не зависит).ПродифференцировавTc по M и вспомнивопределениепроизводнойфункции, получимформулу:

/>

,

гдеΔM иΔTсоответствуютразности массионов и разностикритическихтемператур, возникающейпри замещениииона его изотопом.Из этой формулы, опираясь наэкспериментальныеданные, ученыеи определяютα, тоесть наличиеили неимениеизотопическогоэффекта.

Конечно, изотоп-эффектне дает прямогоответа на важнейшийвопрос высокотемпературнойсверхпроводимости: что заставляетэлектроны вВТСП объединятьсяв пары? Однакоон играет важнуюроль в распутыванииэтой загадки, в частностипозволяетопределитьступень причастностифононов квозникновениюкуперовскихпар.

С открытиемв 2008 году железосодержащихВТСП поискипричин возникновениявысокотемпературнойсверхпроводимостивозобновилисьс новой силой.И, конечно, впервую очередьученых заинтересовалавеличина вкладаэлектрон-фононноговзаимодействияв сверхпроводимость«железных»сверхпроводников.Будет ли этотвклад отличенот нуля или онтак же пренебрежительномал, как и вкупратных ВТСП? Один из возможныхспособов решенияданной проблемысвязан с обнаружением(или необнаружением)изотопическогоэффекта пожелезу — веществу, объединяющие«железные»сверхпроводникив один класс.

Впервыеизотоп-эффектв железосодержащихВТСП, а точнее, в поликристаллическихсоединенияхSmFeAsO1–xFx (х = 0,15) с Tc = 40 К иBa1–xKxFe2As2 (х = 0,4) с Tc = 37 К былоткрыт группойкитайскихученых в 2009 году.Заменяя атомыприродного(наиболеераспространенного)железа 56Fe изотопом54Fe, исследователивыяснили, чтопоказательстепени αнаходитсявблизи от 0,5 ипредположительноравен 0,35. Из результатовэкспериментаученые заключили, что частично(частично —потому что αравноне 0,5, а чуть меньше– 0,35) куперовскиепары формируютсяпод действиемэлектрон-фононноговзаимодействия, но бесспорно, что количественноэтот процессклассическойтеорией БКШне описать.

Историяс изотопическимэффектом вжелезосодержащихсверхпроводникахполучила своепродолжениев недавноопубликованнойв журнале PhysicalReview Letters статье японскихученых Inverse Iron IsotopeEffect on the Transition Temperature of the (Ba,K)Fe2As2Superconductor (доступнойтакже здесь).Они сосредоточилисвое вниманиена изотоп-эффектепо железу вполикристаллахBa1–xKxFe2As2 — сверхпроводника, в котором тотже эффект пожелезу исследовалиих китайскиеколлеги.

Чтобыдостичь минимальнойгрехи в итоговыхрезультатах, авторы статьиприготовилисемь наборовиз сверхпроводящегоBa1–xKxFe2As2 по два образцав каждом. Условияих производствабыли совершенноидентичными.разность заключаласьлишь в химическомсоставе, а точнее, в использованиипри изготовлениисверхпроводниканаряду с обычнымжелезом (56Fe, втаблице онообозначенокак nFe) двух егодругих стабильныхизотопов: 54Fe и57Fe. предположим, набор S2, как видноиз таблицы, представляетсобой два одинаковоприготовленныхполикристаллаBa1–xKxFe2As2, в составкоторых входятизотопы железа-54и 57 соответственно.

Таблица2. Критическаятемпература, сдвиг критическойтемпературыи показательстепени визотопическомэффекте пожелезу в зависимостиот изотопа Fe, входящего всостав сверхпроводящихполикристалловBa1–xKxFe2As2

/>

Изполученныхданных (см. таблицу2) ученые рассчиталипоказательстепени αи обнаружили, что, во-первых, он отличаетсяот нуля и в среднемравен –0,18. Во-вторых, и это самоенеобычное, онимеет отрицательныйгерб, то естьчем тяжелееион железа, входящий всверхпроводник, тем выше критическаятемпература.В подавляющембольшинствесверхпроводники, если и обладаютизотоп-эффектом, то для них α— положительноечисло.

Возникающеепротиворечиес результатамипредыдущейработы поизотоп-эффекту(см. выше) авторыстатьи объясняютнесовершенствомизготовленияполикристалловBa1–xKxFe2As2, делая упорна возможнуюнеточностьв допированииисследуемоговещества атомамикалия.

Какиевыводы делаютиз своей работыяпонскиеэкспериментаторы? Ненулевоезначение αуказываетна то, что фононынельзя скидыватьсо счетов втеории сверхпроводимости«железных»ВТСП. Однакоотрицательнаявеличина αговорито том, что механизмэлектрон-фононноговзаимодействия, возможно, болеетрудный, чемописываемыйв теории БКШ.На основаниитого, что αв среднемравно –0,18, а не0,5, авторы статьиделают следующеедогадка. По ихмнению, в железосодержащихВТСП реализуетсяэкзотическиймеханизм объединениякуперовскихпар: смесь «болеесложного»электрон-фононногои обменноговзаимодействий.В одной из прошлыхновостей «Элементы»уже писаливероятномобменном механизмеформированияпар электронов.Поэтому лишьнапомним, чтообменноевзаимодействиечастиц представляетсобой квантовый(связанный спринципомзапрета Паули)аналог электростатическоговзаимодействия.

Такимобразом, еслитеоретикамудастся объяснитьтакой аномальныйизотоп-эффектв «железных»ВТСП в рамкахвысказаннойавторами обсуждаемойстатьи гипотезыо смешанномвзаимодействииэлектронов, то не исключено, что природавысокотемпературнойсверхпроводимостиможет прояснитьсяне только дляданного классасверхпроводников.

Источник:Parasharam M. Shirage, Kunihiro Kihou, Kiichi Miyazawa, Chul-Ho Lee,Hijiri Kito, Hiroshi Eisaki, Takashi Yanagisawa, Yasumoto Tanaka,Akira Iyo. InverseIron Isotope Effect on the Transition Temperature of the (Ba,K)Fe2As2Superconductor // Phys. Rev.Lett.103, 257003 (2009).

еще рефераты
Еще работы по производству