Бөлме температурасында және одан жоғары асқын өткізгіштік. Эксперименттік растау. В.Л. Дерунов. Бөлменің асқын өткізгіштігіне апаратын жол Бөлменің асқын өткізгіштігі

МӘСКЕУ, 13 қыркүйек - РИА Новости.Графиттің жеке дәндері сумен өңделгеннен кейін және пеште пісіргеннен кейін бөлме температурасында асқын өткізгіштік қасиеттерін көрсете алады, бұл асқын өткізгіштікке жету мүмкіндігін көрсетеді. қалыпты жағдайлартәжірибеде, дейді неміс физиктері Advanced Materials журналында жарияланған мақаласында.

«Жалпы алғанда, біздің эксперименттік деректеріміз бөлме температурасындағы асқын өткізгіштіктің мүмкін екенін және біз қолданған әдістердің пайда болуы адамзатқа әлі де бағалау қиын болатын пайда әкелетін асқын өткізгіштердің жаңа ұрпағына жол ашуы мүмкін екенін көрсетеді», - деді Пабло Эскинази, Лейпциг университетінің (Германия) физиктер тобының жетекшісі.

Эскуинази және оның әріптестері оқыды физикалық қасиеттеріграфит және көміртегінің басқа түрлері. Тәжірибелердің бірінде ғалымдар суы бар пробиркаға графит ұнтағын құйып, оны араластырып, 24 сағат бойы жалғыз қалдырды. Осыдан кейін физиктер графитті сүзіп, 100 градус температурада пеште кептірді.

Нәтижесінде ғалымдар өте қызықты физикалық қасиеттері бар графит түйіршіктерінің жиынтығын алды. Осылайша, бұл дәндердің бетінде тіпті 300 градус Кельвин немесе 26 градус Цельсий температурасында сақталатын асқын өткізгіштік қасиеттері бар.

Бұл дәндердің ішінде тән өткір фазалық ауысулардың пайда болуымен көрінді. магниттік момент, классикалық жоғары температуралы асқын өткізгіштерде бар. Физиктер графиттің мұндай материалдардың тағы екі негізгі қасиеті бар-жоғын тексере алмады: қарсылықтың болмауы және Мейснер эффектісі - толық ығысу. магнит өрісідирижердің денесінен.

Соған қарамастан, тіпті бір әсердің ашылуы жоғары температуралы асқын өткізгіштердің бөлме температурасында да жұмыс істей алатынын көрсетеді.

Өкінішке орай, Эскуинази және оның әріптестері алған графит түйіршіктерін асқын өткізгіштер үшін «құрылыс материалы» ретінде пайдалану мүмкін емес. Біріншіден, графит массасының тек 0,0001% ғана асқын өткізгіштік қасиетке ие, себебі бұл әсер тек дәндердің бетінде байқалады. Екіншіден, графиттің бұл түрі өте сынғыш, ал дәндердің физикалық қасиеттері ең аз деформация кезінде де қайтымсыз жоғалады.

Физиктер өздерінің болашақ жұмыстарында дәндердің бетін және олардың бетінде «су моншасынан» және кейін кептіруден кейін қалатын сутегі атомдарының рөлін зерттеуді жоспарлап отыр. Сонымен қатар, Эскуинази мен оның әріптестері мұндай дәндердің нөлдік төзімділігі бар-жоғын және оларда Мейснер эффектісі бар-жоғын тексереді.

Американдық физиктер заттың псевдогаптық фазасында электрондардың әрекетін анықтады, ол асқын өткізгіштік күйінен бұрын пайда болды.

Асқын өткізгіштік деп заттың тұрақты электр тогына критикалық температурадан төмен температурада электр кедергісінің толық жойылуы деп аталады. Асқын өткізгіштердің орасан зор практикалық құндылығы ток ағымы кезінде оларда электр энергиясының жоғалуының болмауында. Бірақ өте төмен критикалық температура оларды кеңінен пайдалану жолында тұр. Көптеген заттар үшін ол абсолютті нөлге жақын. 1986 жылға дейін Nb 3 Ge қорытпасы ең жоғары температураға ие болды, ол үшін асқын өткізгіштік 23 К (-250 ° ) төмен температурада орын алды. Сондықтан маңызды ғылыми мәселе туындады: жоғары температурада, жақсырақ бөлме температурасына жақын жерде асқын өткізгіштік күйге өтетін заттарды табу, бұл жоғары температуралық асқын өткізгіштік деп аталады.

1986 жылы мыс оксидтеріне (купраттарға) негізделген жоғары температуралы асқын өткізгіштер (ЖТҚ) ашылды және бірнеше жыл ішінде критикалық температура шамамен 120 К дейін көтерілді. Алайда бұл заттардың өте күрделі электрондық құрылым, бұл оларда асқын өткізгіштік күйге өтудің қалай жүретінін түсінуді өте қиындатады, онсыз жоғары температурада жұмыс істейтін асқын өткізгіштерді дамыту мүмкін емес. Содан бері 30 жылға жуық уақыт бойы бұл мәселені зерттеу үшін кешенді эксперименттер жүргізілді.

Атап айтқанда, HTSC-дегі асқын өткізгіштік күйінің алдында «псевдогап фазасы» деп аталатын күй болатыны анықталды. Бұл термин заттағы электрондардың энергетикалық спектрінің ерекшелігімен (атомдағы электрондардың рұқсат етілген энергетикалық деңгейлерінің дискретті жиынтығы деп аталатын) байланысты. Энергетикалық мәндері төмен электрондар валенттік зонада, энергиясы жоғары, зат арқылы қозғала алатын электрондар өткізгіштік зонада орналасады. Жартылай өткізгіштер мен диэлектриктерде валенттік аймақ пен өткізгіштік зона «саңылау» деп аталатын тыйым салынған энергия мәндерінің интервалымен бөлінеді. Токты құруға қатысу үшін электрон валенттік аймақтан өткізгіштік зонасына саңылаудан өту үшін энергия алуы керек. Демек, саңылау ені неғұрлым үлкен болса, материалдың оқшаулау қасиеттері соғұрлым күшті болады.

Ашық өткізгіштерде де саңылау пайда болады, бірақ оның табиғаты басқаша. Асқын өткізгіштік пайда болған кезде Ферми деңгейіне жақын электрондар Купер деп аталатын жұптарды құрайды және Ферми деңгейінде орналасады және бұл деңгей алшақтықты жалғыз электрондар деңгейлерінен ажырата бастайды. Ферми деңгейі критикалық температурамен анықталады.

Критикалық деңгейден жоғары температурада HTSC күйі бар екені белгілі болды азкәдімгі өткізгішке қарағанда Ферми деңгейіне жақын заряд тасымалдаушылар. Бұл құбылыс «псевдо-саңылау» деп аталады. Бұл түсініксіз жағдай физиктер арасында көптеген сұрақтар туғызды. Псевдогаптық күй асқын өткізгіштіктен бұрын және ішінара бірге болатындықтан (бәсекелес) ғалымдар бұл күйді зерттеу HTSC құпияларын ашуға көмектеседі деп санайды. IN Соңғы жылдарыкөптеген еңбектер осы мәселеге арналған, олардың бірі жақында журналда жарияланған «Ғылым» .

Брукхавен ұлттық зертханасының және Корнелл университетінің физиктері өздерінің бірегей жоғары дәлдіктегі сканерлеуші ​​туннельдік микроскопты пайдалана отырып, псевдогаптық кезең арқылы купраттың оқшаулағыштан суперөткізгішке өтуінің егжей-тегжейлерін бақылай алды. Олардың тәжірибелік қондырғысы материалдағы электрондардың кеңістіктегі орналасуын және қозғалыс бағытын анықтауға мүмкіндік берді, соның арқасында екі жаңа құбылыс ашылды.

Бастапқы күйде зерттелген купрат Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8+ δ оқшаулағыш болып табылады. Оны HTSC-ге айналдыру үшін заряд тасымалдаушылардың (саңылаулардың) көзі ретінде оған оттегі атомдары химиялық түрде қосылды. Бұл процесс допинг деп аталады, қосымша атомдар формулада «+ δ» түрінде көрсетілген. Физиктер материал асқын өткізгіш күйге ауысқанда электрондардың мінез-құлқы мен орналасуы қалай өзгеретінін көру үшін ұзақ уақыт бойы әртүрлі допинг деңгейлеріндегі материалды жүйелі түрде сканерлейді.

Заряд тасымалдаушылар санының ұлғаюымен (допинг деңгейі) материал диэлектрлік күйден псевдогаптық фазаға өтті. Заряд тасымалдаушылардың төмен тығыздығында жеткілікті статикалық сурет байқалды. Кейбір электрондардың «тығыздық толқындары» немесе «жолақтар» деп аталатын экзотикалық мерзімді статикалық орналасуы болды. Бұл толқындар «қатып қалған» электрондардың жолақтарына ұқсайды. Тығыздық толқындары электрондардың қозғалысы сияқты белгілі бір бағыттармен шектеледі. Зарядтар санының одан әрі артуымен ғалымдар тығыздық толқындары жоғалып, материалдағы электрондар кез келген бағытта еркін қозғалу мүмкіндігіне ие болатынын анықтады. Оның үстіне, бұл таза асқын өткізгіштіктің пайда болуы сияқты допинг деңгейінде орын алады.

«Алғаш рет эксперимент тығыздық толқындарының жоғалуын және олармен байланысты наноөлшемді тор ақауларын шектеусіз асқын өткізгіштік үшін қажетті барлық бағытта еркін ағып жатқан электрондардың пайда болуымен тікелей байланыстырды», - дейді жетекші автор Сеамус Дэвис. «Бұл жаңа өлшемдер бізге осы материалдың жұмбақ жалған бос күйінде неліктен электрондар еркін қозғалатынын көрсетті».

Дэвис бұл көріністерді статикалық фрагменттерді көруге болатын мұздатылған өзеннің үстінен ұшумен салыстырады, мұздан түзілген, және бір уақытта сұйық судың ағынын анықтайды. Бұл ұшулар көктемде, мұздатылған су жолы біртіндеп еріген кезде қайта-қайта жасалады. Купратта температураны көтерудің орнына ғалымдар тығыздық толқындарын белгілі бір сыни нүктеде «суға батыру» үшін допинг деңгейін арттырды.

Бұл ашылу электрондар ағынын шектейтін және псевдогаптық фазадағы максималды асқын өткізгіштікті бұзатын тығыздық толқындары екендігі туралы бұрыннан келе жатқан идеяны растайды. Дэвис: «Электрондардың статикалық орналасуы және онымен байланысты нано масштабтағы ауытқулар электрондардың еркін ағынын бұзады - өзендегі мұз сияқты сұйық судың ағынын нашарлатады», - дейді.

Әрине, HTS жасау мұз жару сияқты оңай емес, бірақ бұл жаңалық түсініктер береді. Олар пайда болған кезде статикалық жолақтардың пайда болуына жол бермеу арқылы, ақырында, төменгі допинг тығыздығында және әлдеқайда жоғары температурада суперөткізгіш ретінде әрекет ететін материалдарды алуға болады, деді Дэвис.

- кейбір материалдардың электр тогын кедергісіз, демек, жоғалтпай беруге мүмкіндік беретін бірегей қасиеті.

Бұл әсер алғаш рет 20 ғасырдың басында ашылғанына қарамастан, ұзақ уақыт бойы ол. Өйткені, алғашқы асқын өткізгіштер абсолютті нөлге жақын температурада жұмыс істеді, ал зерттеушілер оларды салқындату үшін сұйық гелийді пайдаланды.

Бұл саладағы бірінші үлкен төңкеріс шамамен 25 жыл бұрын жоғары температуралық асқын өткізгіштер деп аталатын заттардың ашылуымен болды. Атауға қарамастан, олар әлі де адам тұрғысынан өте төмен температураға дейін салқындату керек болды. Бірақ инженерлер сұйық азотты қолданып, кейбір құрылғыларда, мысалы, магниттік-резонанстық бейнелеу және бөлшектердің үдеткіштері сияқты асқын өткізгіштікті пайдалануды үйренді.

2013 жылы басталған жұмыстар сериясы адамзатты бөлме температурасында нөлдік қарсылықты көрсететін өткізгіштерді жасауға жақындатады. Кембридж университетінің ғалымдары алғаш рет оқиғаның табиғатын сипаттағанын жазғанбыз. Енді Макс Планк атындағы материяның құрылымы мен динамикасы институтының (Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie) халықаралық физиктер тобы қысқа инфрақызыл лазерлік импульстарды пайдалана отырып, бөлме температурасында керамикалық материалда асқын өткізгіштікті индукциялады.

Ғалымдар YBCO деп аталатын иттрий-барий-мыс оксиді кең таралған жоғары температуралы асқын өткізгішпен жұмыс істеді. Ол минус 180 градус Цельсийде нөлдік қарсылықтың әсерін көрсетеді.

Оның кристалдары күрделі құрылымға ие: мыс оксидінің жұқа қос қабаттары барий, мыс және оттегі бар қалың аралық қабаттармен алмасады. Асқын өткізгіштік электрондар Купер жұптары деп аталатын жұптарға біріктірілген жұқа қабаттар арасында пайда болады. Бұл күйде булар қабырға арқылы мультфильм елестері сияқты материалдың қабаттарынан өтеді.

Бір жыл бұрын Андреа Каваллери бастаған топ YBCO лазерлік импульстармен сәулеленген кезде ерекше әсерді анықтады. Ғалымдар жарықтың қысқа жарылыстары қысқа уақыт ішінде мыс оксидінің қос қабаттары арасындағы байланыстарды өзгертеді деген болжам жасады. Дегенмен, бөлме температурасында асқын өткізгіштіктің пайда болу себептерін «ауыр артиллерияны» - әлемдегі ең қуатты рентгендік лазерді (LCLS) қосқаннан кейін ғана толық түсіну мүмкін болды.

Жұмыстың жетекші авторы Роман Манковский: «Алдымен, әдеттегідей, біз кристалға инфрақызыл сәуленің импульсі арқылы әсер еттік, бұл жеке атомдардың дірілдеуіне себеп болды», - деп түсіндіреді жұмыстың жетекші авторы Роман Манковский. - Содан кейін қысқа рентгендік импульс пайда болды, оның көмегімен біз қозғалған материалдың кристалдық құрылымын дәл анықтадық.

Анықталғандай, инфрақызыл жарқыл материалдағы атомдардың тербелісін тудырып қана қоймайды, сонымен қатар олардың кристалдағы орнын өзгертеді. Нәтижесінде мыс диоксидінің қабаттары екі пикометрге қалыңдады, бұл олардың құрамдас атомдарының диаметрінің жүзден бір бөлігіне ғана сәйкес келеді.

Бұл ретте көршілес екі қабат арасындағы қашықтық бірдей қашықтыққа қысқарды. Бұл өзгерістер елеусіз болып көрінуі мүмкін, бірақ бұл шамалы конвергенцияның өзі ғалымдар үшін қолайлы жағдайларда асқын өткізгіштіктің өзін көрсетуі үшін жеткілікті болды.

Әсер секундтың бірнеше миллионнан бір бөлігіне ғана созылғанына қарамастан, Nature журналында жарияланған жұмыс нәтижелері жаңа дирижерлар мен олардың ауқымын кеңейту жолдарын іздеуге көмектеседі.

Енді төмен температурада салқындату қажеттілігі асқын өткізгіштікті кеңінен қолдануды айтарлықтай қиындатады. Бұл шаралар қажет болмайтын күні бізді нағыз технологиялық революция күтіп тұр.

Табиғатта бәрі адам ойлағаннан әлдеқайда қарапайым. Мысалы, барлығын сұрақ қинады - бұл не асқын өткізгіштік? Неліктен ол пайда болады өткізгіштертек қашан төмен температуралар ? Ал үшінші сұрақ – бұл бөлменің асқын өткізгіштігі? Бұл туралы бірге ойланайық.

Заманауи магниттерді жасауда қажетті ұнтақтардың қоспасы қажетті пішінге сығымдалады, содан кейін орамға енгізіледі, ток беріледі, магнит дайын болады. Мәселе мынада, неге энергия тұрақты магниттің денесінде сақталады? Бұл сұраққа жауап беру үшін екінші тәжірибе жасайық. Қосулы асқын өткізгішкриостатта сақина, біз сымды орап, оны зарядталған конденсаторға қосамыз. Оған ток итерілгенде, асқын өткізгішток және магнит сияқты күшті магнит өрісі сақталады және көптеген жылдар бойы сақталады. Соңғы сұрақтың жауабы өте қарапайым. IN тұрақты магнитток айдалған кезде, ұқсас асқын өткізгіштоктар, тек атомдар мен домендердің көлемдерінде, біз магниттің полюсінде темір ұнтағының көмегімен көзбен анықтаймыз және мұның бәрі бөлме температурасында және одан жоғары, Кюри нүктесіне дейін екенін атап өткен жөн. Магниттер үшін бұл Т-кюри магниттелуді жоғалту үшін критикалық температура болып табылады, ол кез келген магниттікке ұқсас. асқын өткізгіш T c - кәдімгі өткізгішке айқын өту температурасы.

Ғылыми білімнің дамуының биік жолы жоқ. Кейде танымдағы жаңа іргелі бағытты ашқан зерттеуші сол уақытқа дейін жинақталған аз ғана эксперименттік деректерге байланысты оны барынша жеңілдетілген түрде түсіндіреді. Әрі қарай, әрқашан дұрыс бола бермейтін бұл форманы басқа пікірлес адамдар таңдайды және уақыт өте келе теорияның дамуы автоматты түрде жалғасатын оның кемшіліктерін жасыра алатын осындай бөлшектер мен қуатты математикалық аппаратқа ие болады. Бұл өткізгіштегі энергия тек электрондар арқылы тасымалданатын Drude электронды өткізгіштігімен болды. Мұндай күйде бастапқы, дұрыс позицияларға оралу қазірдің өзінде өте қиын болып келеді; көп буынды оқыту тек тығырыққа тіреледі асқын өткізгіштік.

Бұған келісесіз электр тоғы- өткізгіш бойымен энергияның берілуі бар. Электрон өткізгіштерде энергия тасымалдаушы бола алмайды, өйткені оның тұрақты заряды 1.6.10 -19 Кулон болады, табиғаты бойынша оны өзгертуге болмайды, бұл әдетте энергияны тасымалдауға жарамайды. Қандай да бір себептермен, энергия (тәжірибе арқылы бекітілген) плюс минусқа (атомдағы сияқты, ядродан электрондарға) ауысса да, өткізгіштегі электронның минустан плюсқа қарама-қарсы бағытта қозғалуы ешкімді алаңдатпайды. Оның үстіне металдың өзінде электронның жылдамдығы 0,5 мм/с аспайтыны, ал өткізгіштегі энергия жарық жылдамдығымен берілетіні тәжірибе жүзінде дәлелденді. Синхротрондық үдеткіштерде радиожиілік электромагниттік толқын электрондар шоғын оларды жеделдету үшін өзіне сүйреп апарады, керісінше емес. Мұнда пойыздың локомотивінің рөлі толқында, электрондар - вагондар. Сонымен қатар өткізгіш атомдардың сыртқы электрондары байланысқан химиялық байланыстар, бірақ рұқсат етілген ток қозғалған кезде өткізгіштің механикалық қасиеттері өзгермейтіні және электрондардың атомнан атомға секіру мүмкіндігі бар екені белгілі. Электрон энергияны тек қозғалысының күшінде (жылдамдығында) сақтай алады, ал тежеу ​​кезінде оны жарықтың шағын хаотикалық электромагниттік толқыны түрінде төгіп тастаңыз, біз оны электр шамының спиральының мысалында көреміз. Кез келген өткізгіштерде дәл осылай болады, ол қысқа тұйықталу кезінде, өткізгіш жарқын жарқылмен жанып кеткенде анық болады. Және соңғысы. Тіпті Герц электротехниканың басында электр желісінде қарапайым ұшқын саңылауымен энергия тек сымдар арқылы ғана емес, негізінен электрондар тыйым салынған сымдар арасында тасымалданатынын көрсетті. Бұл жерде қарапайым электромагниттік толқын жұмыс істейді. Мұның бәрі нанымды емес пе? Осындай қарапайым фактілерді түсінбеу ғана құбылыс туралы хабардар болмауына әкелді асқын өткізгіштік. Герц бойынша сымдар мен асқын өткізгіштердегі энергияны тасымалдау үшін электромагниттік толқын қайдан келеді?

Кез келген өткізгіште, жартылай өткізгіште, диэлектрикте сыртқы валентті электрондарда үш күшті электромагниттік толқын бар. Сыртқы электрондарда мұндай қуат жоқ. Біріншісі - плазмалық электронды, қысқаша айтқанда - плазмаэлектронды. Физикалық тұрғыдан алғанда, бұл ұқсас зарядтардың кулондық тебілуіне байланысты электронды «тобыр». Шамасы бойынша оның энергиясы бірден бірнеше электронды вольтқа дейін ауытқиды. Тәжірибе бойынша сипаттамалық энергия шығындарымен анықталады. Тәжірибеде көлемдік плазмалық-электрондық тербелістер және көлемдіктерден екі түбірге аз болатын беттік тербелістер ажыратылады.

Rnrnrn rnrnrn rnrnrn

Сыртқы электрондардағы екінші электромагниттік толқын Ферми энергиясы болып табылады. Ол эксперименттік түрде еш жерде анықталмаған, сондықтан ол туралы ойдан шығару тым әртүрлі. Шындығында, бұл кез келген атомның сыртқы электронының ядроның айналасында айналу энергиясы және басқа ештеңе жоқ, электрон Ферми энергиясын ядродан алады, ол сонымен қатар қатаң анықталған жиілікке ие (E f \u003d hCh ƒ, мұнда h - Планк тұрақтысы, ƒ - жиілік) және плазманың жанында орналасқандықтан, сыртқы энергия - электрондар бірдей. Оптикалық спектроскопиядағы кез келген заттағы плазма электронының және фермиэнергияның энергетикалық орны негізгі жұтылу шеті (немесе іргелі абсорбцияның шеті), онда экситондар деп аталатындар (спектроскопиядағы қос өркешті энергия жарылысы) табылады. Алюминий үшін 1,55 эВ, мыс үшін 2,2 эВ, иттрий керамикасы үшін 1,95 эВ. Энергиялар әрқашан жақын, бірақ ешқашан екі бірдей индуктивті байланысқан тізбектер сияқты біріктірілмейді. Егер тізбектер жиілікпен сәулеленетін болса, онда бір тізбектің жиілігі ілінісу есебінен төмендейді, ал екіншісінің жиілігі жоғарылайды. Ал сыртқы электрондардың сәулеленуі бір нәрсе – ядродан. Айта кетейік, қандай да бір себептермен металдардың фермиэнергиясы плазмалық электроннан біршама төмен, ал жартылай өткізгіштер мен диэлектриктердің фермиэнергиясы плазмаэлектроннан жоғары. Бұл металдардың нөлдік энергияға қарай жеткілікті күшті бүйірлік жиіліктердің сериясына ие болуының жалғыз себебі, бұл металдарды жақсы өткізгіш етеді. Ал жартылай өткізгіштер мен диэлектриктер үшін, керісінше, төменгі жиілікті жақтары кіші өлшемдерге түседі (Стокс жиіліктері), ал жоғары жиіліктілері күшейтіледі (антистокс), сондықтан олар электр тогын жақсы өткізбейді. Итеру арқылы пайда болатын осы екі энергияның шамасының өзгеруі диэлектрик - металл ауысуын түсіндіреді.

Үшінші электромагниттік толқын - плазмалық ион (ион-плазма). Ол атомдардың (фонондардың) жылу тербелістерінің барлық түрлерінің жалпылаушы элементі болып табылады. Барлық заттарда ол жарықтың Раман шашырауымен анық анықталады. Плазма ионының «жеткізетінін» атап өтейік. бүкіл командазаттардағы (фонондар) атомдар торының әртүрлі термиялық тербелістері, бұл энергияның кез келген өзгерісі олардың мәндерінің өзгеруіне әкеледі. Бұл бөлімде бойлық акустикалық тербелістердің (өткізгіштегі дыбыстың әдеттегі жылдамдығы) ион плазмасына тәуелділігін ерекше атап өту керек. Иондық-плазмалық толқынның энергиясы сәйкесінше 0,1 эВ-тан аспайды және оның жиілігі электронды толқындармен салыстырғанда аз.

Өткізгіштердегі, жартылай өткізгіштердегі, диэлектриктердегі барлық үш электромагниттік толқындар табиғи түрде бір толқынға қосылады. Тыныш материяда ол тұрақты толқын түрінде болады. Электр желісіндегі бұл жалғыз толқынды бізге Герц қарапайым ұшқын саңылауымен көрсетті, енді физикалық сыныптағы әрбір мектеп оқушысы және жоғары вольтты электр желісінің астына түскісі келетіндердің барлығы неон шамының көмегімен көре алады. Кез келген бейтараптық бұзылған жағдайда, тіпті өткізгіштегі электрондардың кездейсоқ ығысуына байланысты, бір толқын бұзушылықты жоюға асығады және электрондарды өз орындарына сүйреп апарып, пәтердегі үй иесі сияқты тәртіпті қалпына келтіреді. Заттарды ретке келтіру кезінде электрондардың бұл қозғалысы қарсылық болып табылады, өйткені олар қозғалыс үшін бір толқыннан энергияны алып тастайды (синхротрондық үдеткіштегідей) және тоқтап, хаотикалық сәулелену - жылу түрінде артық энергияны төгеді. Жылулық электрондарды шығару мөлшері бойынша бір толқынның энергиясының әлсіреуі байқалады. Алып кететін ештеңе болмаған кезде, ол тұрғанға кіреді - үй иесі демалып жатыр. Инерциялық электрондардың бөлінуі Толман-Стюарт тәжірибесінде де кездеседі, бірақ біз гальванометрмен тек бір толқынның кернеуін, оның қозуын өлшейміз. Жартылай өткізгіштерде біз таза эксперименттік жолмен бір толқынды басқаруды аздап үйрендік. Кристалдың ұштарына кернеу беру арқылы біз плазмоэлектрондық және фермиэнергияның жиіліктегі орнын жуықтау бағытында өзгертеміз, бұл кедергі мәнін төмендетеді. Екі энергияны жиілікте тарату арқылы (плюс кернеуді қолдану есебінен электрондар санын азайту) транзистордың кедергісін арттырамыз. Жартылай өткізгіштер құндылығы бойынша ең жақын электронды энергияға ие, сондықтан реттеу оңайырақ.

Табиғатта осы үш электромагниттік толқынның, екі электронды – плазмалық-электрондық және Ферми – үшінші ион-плазмамен резонанс бар. Физикада бұл факт үш толқынды резонанс деп аталады. Бұл жағдайда электронды энергия жиілігінің айырмашылығы ион-плазманың жиілігімен сәйкес келеді. Ол теориядан белгілі; резонанс сәтінде үш толқынның жалпы энергиясы кезектесіп Фермиге, содан кейін плазма-электронға, содан кейін ион-плазмалық толқындарға айдалады. Толық энергия иондық-плазмалық энергияға енгенде, атомдардың жылулық тербелістерінің бүкіл спектрі қоздырады, бұл өткізгіштердегі жылу сыйымдылығының жоғарылауынан тәжірибе жүзінде көрінеді. Осы сәтте дыбыс жылдамдығы да артады, яғни дыбыс толқыны атомдарды тығызырақ жылжытады және өткізгіш бойымен созылады. Атомдар олардың арасында қысылғанда, электрондар да қысылады, осылайша олар ядролардан қосымша энергия алады, сонымен бірге атомдар алшақтайды, олар артық энергияны кездейсоқ емес, кесектер түрінде бір электромагниттік толқынға төгеді, бірақ лазерлік принцип бойынша оның жиілігін басшылыққа ала отырып, қазірдің өзінде бірге. Бұл қосу жартылай өткізгіштерде теріс кедергі ретінде табылған жалғыз толқынды күшейтеді.

үшін өте маңызды тағы бір ерекше фактор бар асқын өткізгіштік. Табиғат атомдардың бір-бірінен сығуы мен сиректенуінің акустикалық толқынының өздігінен әлсіз болуын осылай ұйымдастырды, өйткені энергияның бір бөлігі жылудың пайда болуына жұмсалады. Бірақ ішінде белгілі бір сәтол атомдардың өздерінің термиялық тербелістерімен, тіпті бірнеше есе күшейтілуі мүмкін. Бұл күшейту баллистикалық тербеліс (фонондар) деп аталады, олар өте төмен температурада ғана пайда болады. Күшейту термиялық тербелістерді салқындату кезінде хаотикалық қозғалыстан белгілі бір бағыттарға беру сәтінде ғана жүреді, - басқа бағыттардың әлсіреуіне байланысты кристалдың қатаң анықталған осьтері бойымен. Бұл фактор кез келген асқын өткізгіштік ауысудың негізгі және анықтаушы бастамасы болып табылады. Әрбір асқын өткізгіштің кристалдық тордың ерекшеліктеріне байланысты қатаң түрде өзінің баллистикалық фонондары бар. Бұл ток өткізгіштікте өткір анизотропия түрінде жоғары температуралы керамикадан табылды. Бұл тербелістердің температуралық қосылуы акустикалық толқынды күшейтеді, ол электрондарды атом ядроларына күштірек сығады, сондықтан электрондар көбірек энергия жинайды және айтарлықтай біртұтастығын нығайтадылазердегі жарыққа ұқсас электромагниттік толқын. Ал одан резонанстық ион-плазмалық энергия күшті соққылар алады және акустикалық толқынды қаттырақ жұмыс істейді. Толық оң пікір қалыптасады, бұл сізді сақтауға мүмкіндік береді асқын өткізгішкез келген ақылға қонымды батареямен салыстыруға келмейтін орасан зор энергияны сақтау құрылғылары. Сонымен асқын өткізгіштерБізде екі негізгі үйлесімді фактор бар - сыртқы электрондарда қуатты жалғыз электромагниттік толқынның пайда болуы және баллистикалық тербелістердің пайда болуына байланысты күшейтілген керіакустикалық толқын арқылы энергия байланысы. Осы процесте қосымша энергия алатын электрондар өз орбиталарында үдей түседі және бір бағыттағы тогы жоғарылаған екі өткізгіш сияқты олар магниттердің спиндік «ысырмаға» кулондық тебілуіне қарсы бір-біріне тартылады. Айналдыру күштері өте қысқа диапазонды, сондықтан олар екі электронның жұптасуын тек 10 -12 м реттік қашықтықта бекітеді.Жұптастырудан қосарлы пайда алынады; жұпталған электрондар бір толқынның қозғалуына кедергі жасамайды және де Бройль толқындарымен одан энергия алмайды. Сонымен қатар, атомдар ядроларына дейін үздіксіз сорып, олар соққыларда энергия алады, содан кейін оны күшейту үшін бір толқында бірге айдайды. Мұндай электронды жұп химиялық байланыстар жұбынан айырмашылығы, кеңістікте дерлік бос және өзінің ток магниттерінің полюстерінің арқасында әрқашан сыртқы магнит өрісіне қарсы бұрылады және оның айналуы арқылы берілген заттың диамагнетизмін тудырады (онда қарсы ток пайда болады). Тәжірибе жүзінде табылған когеренттілік ұзындығы асқын өткізгіштер, және резонанстық бір электромагниттік толқынның ұзындығы (үш электромагниттік толқынның қосылуынан алынған конверт).

Бұл ойларды тексеру іс жүзінде қиын емес. Күшті заттар аз емес бөлме температурасында да диамагнетизм, бұл резонанспен біршама күшейтілген бір толқынның қазірдің өзінде жұмыс істеп тұрғанын және дайын электрон жұптары бар екенін білдіреді (мысалы, СuCl, SiC). Мұндай затты алып, акустикалық жиілікті анықтап, баллистикалық фонондардың орнына оны беру керек. ультрадыбыстық тербелісжеткілікті қуат (ион-плазма энергиясының жұмысын орындау). Бұл әрекет арқылы біз кері байланыс жұмысын күшейтеміз және энергия айналымын бастаймыз, нәтижесінде біз аламыз бөлме температурасындағы жасанды асқын өткізгіш. Сонымен қатар, ультрадыбыстық қуат жеткіліксіз болған кезде үлгінің кедергісінің мәні ғана өзгеретінін есте ұстаған жөн. Мүмкін, Гун эффектісі бар кейбір кристалдар күшті электрлік тербелістер пайда болатын осы принцип бойынша жұмыс істейді. Шамасы, сол жерде 3 киловольттан жоғары қолданылатын электр кернеуінің әсерінен бірдей баллистикалық тербелістер бөлме температурасында пайда болады, бірақ қандай да бір себептермен қысқа мерзімді, тек тербеліс кезеңі үшін. Кішкентай кристалдардағы ультрадыбысты фермисекунд уақыттары бар лазерлік импульстармен ауыстыруға болады.

Жоғарыда келтірілген пайымдауларға сәйкес, өндіріс жолын белгілеуге болады бөлменің суперөткізгіші. Ол үшін күшті химиялық байланыстары бар материалды алу қажет табысты жұмысдыбыс толқыны, барлық үш электромагниттік толқындарды аспаптармен анықтаңыз және кристалдық торға ауыр немесе жеңіл атомдарды енгізу арқылы үш толқынды резонансқа қол жеткізіңіз. Содан кейін дыбыс толқынының кері байланыс күшін алдымен ультрадыбыстық (немесе лазермен) реттеңіз, содан кейін тәжірибе арқылы баллистикалық тербелістерді қоздыру әдісін жасаңыз. Бұл үшін кремний карбиді қолайлы, ал болашақта ең жақсысы асқын өткізгішматериал кәдімгі көміртек болады, өйткені оның таразысында табиғаттан ең күшті химиялық байланыстар пайда болады. асқын өткізгіштікбаллистикалық тербелістердің минималды энергиясы қажет.

Қорытындылай келе, асқын өткізгіштің барлық басқа материалдардан сыртқы электрондардағы ішкі, резонанстық бір электромагниттік толқынмен және атомдардың (фонондардың) баллистикалық тербелістерімен бірге жұмыс істейтіндігімен ерекшеленетінін атап өтеміз. Бұған дәлел тәжірибе жүзінде табылған Соңғы уақыткөлемді және беті асқын өткізгіштік BB-басылымға сілтеме

Отандық ғылым мен техниканың дамуына қосқан үлестеріңіз үшін мың алғыс!

осы жерден алынған - http://zoom.cnews.ru/rnd/news/top/sverhprovodimost_pri_komnatnoj_temperature

Бөлме температурасындағы асқын өткізгіштік Физиктер бірінші рет бөлме температурасында асқын өткізгіштікті жасап, бұл құбылыстың мәнін түсіндіре алды. Керамикалық өткізгіште асқын өткізгіштік бір секундтан аз уақытқа созылды, бірақ бұл ғылым мен техниканың дамуындағы үлкен жетістік. Физика Жаратылыстану ғылымдары

04.12.2014 ж., б., 20:51, Мәскеу уақыты

Гамбургтегі Макс Планк институтының ғалымдары басқаратын халықаралық физиктер тобы лазерлік импульстарды пайдаланып, кристалдық тордағы жеке атомдарды қысқа уақытқа жылжытуға және сол арқылы асқын өткізгіштікті сақтауға мәжбүрлей алды. Қысқа инфрақызыл лазерлік импульстар бірінші рет бөлме температурасында керамикалық өткізгіште асқын өткізгіштікті «қоздыруға» мүмкіндік берді.

Тәжірибедегі құбылыс микросекундтың бірнеше миллионнан бір бөлігіне ғана созылады, бірақ бөлме температурасында асқын өткізгіштік принципін түсіну заманауи технологияда төңкеріс жасайтын асқын өткізгіштердің жаңа түрлерін жасауға көмектеседі.Мұндай асқын өткізгіштер көптеген мәселелерді шешеді. қазіргі заманғы проблемалар: лазерлер немесе қуат жетектері, тиімділігі 100% жуық электр қозғалтқыштары мен генераторлар, жаңа медициналық құрылғылар, кішкентай, бірақ қуатты микротолқынды сәуле шығарғыштар және т.б. сияқты энергияны көп қажет ететін жабдықты қуаттандыруға арналған өте қуатты батареяларды жасауға мүмкіндік береді.

Асқын өткізгіштік қазірдің өзінде қолданылуда, мысалы, ЯМР сканерлерінде, бөлшектердің үдеткіштерінде, электр станцияларында жоғары қуатты релелерде. Дегенмен, қазіргі суперөткізгіштер криогенді салқындатуды қажет етеді: металды -273 градус Цельсийге дейін, ал заманауи керамика -200 градус Цельсий. Бұл асқын өткізгіштікті, әсіресе күнделікті өмірде кеңінен қолдануды айтарлықтай шектейтіні анық.

Өкінішке орай, көп жылдар бойы бөлме температурасында асқын өткізгіштіктің пайда болуының нақты жағдайларына байланысты мүмкін болмады. Осылайша, ең перспективалы керамикалық асқын өткізгіштердің бірі YBCO (иттрий-барий-мыс оксиді) ерекше құрылымға ие: мыс оксидінің жұқа қос қабаттары барий, мыс және оттегі бар қалыңырақ аралық қабаттармен алмасады. YBCO-дағы асқын өткізгіштік -180 градус Цельсийде мыс оксидінің қос қабатында пайда болады, онда электрондар қосылып, Купер жұптары деп аталатын құра алады. Бұл жұптар әртүрлі қабаттар арасында «туннель» жасай алады, яғни қабырғалар арқылы елестер сияқты қабаттар арқылы өтеді. Бұл кванттық эффект белгілі бір температурадан төмен ғана байқалады.

2013 жылы Макс Планк институтында жұмыс істейтін халықаралық топ инфрақызыл лазердің қысқа импульстары өте қысқа уақыт ішінде бөлме температурасында YBCO-да асқын өткізгіштікті тудыруы мүмкін екенін анықтады. Бұл құбылыстың табиғатын түсіну мүмкін болмады, тек дүниедегі ең қуатты рентгендік лазер LCLS (АҚШ) материалдың атомдық құрылымын және ультра қысқа процестерді «көруге» көмектесті. Оның көмегімен ғалымдар күрделі эксперименттер сериясын жүргізіп, олардың ашқан нәтижелерін Nature басылымында жариялады.

Белгілі болғандай, инфрақызыл лазер импульсі атомдарды дірілдеп қана қоймайды, сонымен қатар олардың кристалдағы орнын өзгертеді. Нәтижесінде мыс диоксидінің қос қабаты сәл қалыңдайды - 2 пикометрге немесе атом диаметрі 0,01. Бұл өз кезегінде қос қабаттар арасындағы кванттық байланысты жоғарылатады, соншалықты кристал бөлме температурасында бірнеше пикосекунд ішінде асқын өткізгіш болады.

Бөлме температурасындағы асқын өткізгіштік: оттегі атомдарының резонанстық қозуы мыс оксидінің қос қабаттары (қабат - көк, мыс сары, оттегі қызыл) арасында тербелістерді (бұлдыр контурлар) тудырады. Лазерлік импульс атомдарды қысқа уақытқа тепе-теңдіктен шығарады, қабаттар арасындағы қашықтық азайып, асқын өткізгіштік пайда болады.

Осылайша ғалымдар тапты потенциалды жолбөлме температурасында жұмыс істейтін асқын өткізгіштерді құру. Егер теорияны коммерциялық технологияға айналдыруға болатын болса (және қазіргі төмен температуралы асқын өткізгіштер жағдайында бұл шамамен 20 жылға созылды), онда прогресс үлкен секіріс жасайды. Бензинді автомобиль қозғалтқыштары анахронизмге айналады, смартфонның үздіксіз жұмыс істеу уақыты сағатпен емес, айлармен есептелетін болады, магниттік жастықта пойыздар мен автобустарды көтеретін электр ұшақтарының гүлденуі келеді.

PS. Егер бұл шын болса және керамикалық линзалар қазір барлық жерде салынған сияқты жүзеге асырылатын болса, онда .. мүмкіндік бар .. о, егер бұл рас болса ..