Оксидные высокотемпературные сверхпроводники. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Оксидные высокотемпературные сверхпроводники - оксидные соединения с высокой критич. температурой Т_с перехода в сверхпроводящее состояние. Обнаружение сверхпроводимости в этих соединениях (1986-88) существенно повысило уровень известных значений Т_сот

24 К в Nb₃Ge до

120К в Т1₂Ва₂Са₂Сu₃О_x, что значительно выше температуры кипения жидкого азота (Т_кип = 77,3 К) - дешёвого и доступного хладагента.
Исключит. значимость прикладных аспектов сверхпроводимости и отсутствие принципиальных теоретич. ограничений на Т_с(по меньшей мере, до Т_с порядка 300 К) делают проблему создания сверхпроводящих материалов с высокой критич. температурой важнейшей задачей физики сверхпроводимости. После открытия в 1911 сверхпроводимости X. Камерлинг-Оннесом (Н. Kamerlingh-Onnes) доминировала тенденция к пояску новых сверхпроводников среди простых металлов (Hg, Pb, Nb), затем среди двойных (Nb₃ Sn, Nb₃Ga) и тройных [Nb₃(Al, Ge)j интерметаллидов (рис. 1). Поиск сверхпроводников среди оксидных соединений был затруднён чисто психологически, поскольку большинство таких соединений является диэлектриками. В 1964 в США было открыто первое оксидное сверхпроводящее соединение со структурой неровскита - SrTi0₃ с Т_с= 0,3-0,5 К при концентрации электронов 10¹⁹ - 10²⁰ см^-3. В 1974-75 обнаружена сверхпроводимость у LiTi₂0₄(Т_с= 11 К) и у BaPb_1-xBi_x0₃, в к-ром критич. температура менялась с составом и достигала макс. значения Т_с = 13 К при х = 0,25, а концентрация электронов была достаточно низкой (ок. 2 х 10²¹ см^-3).

Рис. 1. Рекордные значения Т_сметаллических и интерметаллических (пунктир), металлооксидных (сплошная линия) сверхпроводников. Штрих-пунктирные линии соответствуют температурам кипения возможных хладагентов.

В 1986 Й. Г. Беднорц (J. G. Bednorz) и К. А. Мюллер (К. A. Miiller) обнаружили сверхпроводимость с Т_с30-34 К в многофазной керамике La - Ва - Сu - О. Оказалось, что за сверхпроводимость в этой системе ответственно соединение La_2-xBa_хCuО₄ с макс. значением Т_с при х = 0,15 - 0,20. Возможна замена Ва на Sr. В соединении Lа₁,₈Sr₀,₂СиО₄Т_с = 36 К. В 1987 получена керамика Y - Ва - Сu - О с критич. температурой Т_с= 92 К. Сверхпроводимость в этой системе связана с соединением

, где

- доля вакансий по кислороду. В 1988 синтезированы висмутовые и таллиевые соединения (Tl₂Ba₂Ca₂Cu₃O_x, T_c110 - 120 К).

Рис. 2. Кристаллическая структура соединений La_2-хSr_хCuO₄.

О. в. с. являются соединениями с ионно-ковалентной связью и дефектной по кислороду перовскитоподобной кристаллич. структурой с упорядоченным расположением кислородных вакансий. Для О. в. с. характерна сравнительно высокая подвижность кислорода в кристаллич. решётке - при нагревании резко увеличивается дефектность по кислороду

. Сверхпроводящие свойства О. в. с. существенно зависят от содержания кислорода. На примере

можно утверждать, что существует оптим. концентрация кислорода, при к-рой достигается макс. критич. температура.
Наиб. хорошо изучены соединения Lа_2-хSr_хСrO₄,

"Исходное" соединение La₂CuO₄ имеет ромбическую элементарную ячейку и является антиферромаги. диэлектриком с точкой Нееля Т_N240 К, сильно зависящей от концентрации кислорода. Замещение La на Sr (Ва, Са) приводит к стабилизации тетрагональной фазы (структурный тип K₂NiF₄, рис. 2). Одноврем. с этим быстро уменьшается Т_N и начиная с х = 0,05 антиферромагн. переход полностью подавляется и появляется сверхпроводимость с макс. значением T_с40 К при х = 0,15 - 0,20.
Как и La₂Cu0₄, соединение

с пониж. содержанием кислорода (

=0,6 - 1,0) представляет собой антиферромагн. диэлектрик. При уменьшении дефектности по кислороду T_N быстро снижается от T_N400 К (

= 0,85) до нуля (

0,6), соединения с

< 0,6 становятся сверхпроводниками (Т_с92 К при

= 0 - 0,1). Область существования высокотемпературной сверхпроводимости на фазовых диаграммах в координатах темп-pa - состав непосредственно примыкает к линии, отвечающей переходу диэлектрик - металл. Вблизи этой же линии происходят переход антиферромагнетик - немагнитный металл и структурный переход.
Если для структуры La_2-xSr_xCuО₄ характерно наличие слоев кислородных октаэдров, центрированных катионами меди и сросшихся друг с другом через общие анионы кислорода (рис. 2), то в соединении

кислородные октаэдры за счёт создания упорядоченных вакансий кислорода трансформированы в пирамиды и квадраты (рис. 3). В результате в

существуют медь-кислородные плоскости и цепочки.
На примере сверхпроводящих соединений в системах Т1 - Ва - Са - Сu - О и Bi - Sr - Са - Сu - О установлена связь между характером чередования медь-кислородных плоскостей и значением Т_с(рис. 4): "прослаивание" плоскостей Сu - О плоскостями Са увеличивает до определ. предела значение критич. температуры. Наличие уединённых слоев Сu - О с металлич. проводимостью является для О. в. с. фактором, способствующим повышению Т_с. В качестве исключения из этого эмпирич. правила можно назвать соединение Ва_1-хК_хВiO₃(Т_C = 30 К), не содержащее медь и имеющее кубич. решётку типа перовскита.

Рис. 3. Кристаллическая структура соединений YBa₂Cu₃O₇.

Рис. 4. Кристаллическая структура таллиевых (висмутовых) оксидных сверхпроводников:
слева - Tl₂Ba₂CuO_x (Bi₂Sr₂CuO_x), в центре - Tl₂Ba₂CaCu₂O_x (Bi₂Sr₂CaCu₂O_x), справа - Tl₂Ba₂Ca₂Cu₃O_x (Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O_x).

Для электрич. свойств О. в. с. в нормальном состоянии типичен линейный рост сопротивления с изменением температуры. Квазидвумерная слоистая структура О. в. с. проявляется в сильной анизотропии ферми-поверхности, электрических и сверхпроводящих свойств. Измерение коэф. Холла и Зеебека указывает, что носителями заряда в большинстве О. в. с. являются дырки (см. Зеебека эффект, Холла эффект), хотя имеются соединения и с электронным типом проводимости (напр., Nd₂__хСе_хСиO₄, Т_с = 24 К). О. в. с. - соединения, производные от родственных им оксидных систем, таких как La₂CuO₄и YBa₂Cu₃O₆. Это антиферромагн. диэлектрики типа Мотта -Хаббарда (см. Моттовские диэлектрики), в к-рых одноцентровые кулоновские электрон-электронные корреляции приводят к расщеплению на верхнюю и нижнюю хаббардовские зоны меди (см. Хаббарда модель ).Кислородная зона находится в энергетич. зазоре между ними. Возможно и перекрытие кислородной зоны с нижней хаббардовской зоной меди. Уровень Ферми располагается вблизи потолка кислородной зоны, при этом реализуется ситуация типа "дырки - на кислороде, локальные магн. моменты -на меди". Замещение La на Sr или варьирование концентрации кислорода приводит к созданию дырок в кислородной зоне.
О. в. с. - сверхпроводники второго рода с сильной анизотропией 1-го л 2-го критич. полей, глубины проникновения магн. поля

критического тока I_с, длины когерентности

(табл.).

Характеристики некоторых оксидных высокотемпературных сверхпроводников

	Поле параллельно слоям Сu - О		Поле перпендикулярно слоям Сu - О		Т_с
	Т _л	(0),	(0), Т_л		Т_с
(La_1-xSr_x)₂ CuO . .	83	74	6	5	36
YBa₂Cu₃O₇......	140	35	28	7	92
Bi₂Sr₂СаСu₂О_x ....	270 - 400	34-40	21 - 29	2-3	85

Сама сверхпроводимость связана с проводящими слоями Сu - О, а роль остальных элементов сводится фактически к удержанию нужной кристаллич. структуры. В частности, в YBa₂Cu₃O₇ замена Y на любой трёхвалентный редкоземельный элемент, в т. ч. и магнитный, практически не сказывается на значении Т_с. В результате соединения RBa₂Cu₃O7 с R - Nd, Sm, Gd, Dy, Er переходят в антиферромагн. состояние соответственно при Т = 0,52; 0,61; 2,25; 0,90; 0,60 К без разрушения самого сверхпроводящего состояния, т. е. указанные О. в. с. относятся к классу антиферромагн. сверхпроводников (см. Магнитные сверхпроводники). В YBa₂Cu₃О₇ длина когерентности поперёк слоев Сu - О (

) несколько меньше расстояния между слоями, однако сверхпроводимость является трёхмерной. В Bi₂Sr₂CaCu₂O₈ уже значительно меньше расстояния между слоями Сu - О, и сверхпроводимость, по-видимому, является квазидвумерной. Параметр 2

/kT_c = 4-10 (

- энергетическая щель, измеренная в экспериментах по одночастичному тунне-лированию), что выше, чем величина 3,5, предсказываемая теорией Бардина - Купера - Шриффера (БКШ) (см. Бардина - Купера - Шриффера модель). При Т = Т_с наблюдается скачок теплоёмкости, либо соответствующий в теории БКЩ образованию куперов-ских пар, либо (аналогично переходу жидкого ⁴Не в сверхтекучее состояние) отвечающий бозе-конденсации пар, уже существующих выше Т_с.
Существует большое число теоретич. моделей, в к-рых делаются попытки объяснить природу высокотемпературной сверхпроводимости в О. в. с. В моделях с фононным механизмом образования электронных пар высокая критич. темп-pa связывается либо с резким усилением электрон-фононного взаимодействия, либо с наличием особенностей в плотности электронных состояний. Во мн. моделях используется модифицированный экситонный и обменный механизм сверхпроводимости.

Литература по оксидным высокотемпературным сверхпроводникам

Знаете ли Вы, как разрешается парадокс Ольберса?
(Фотометрический парадокс, парадокс Ольберса - это один из парадоксов космологии, заключающийся в том, что во Вселенной, равномерно заполненной звёздами, яркость неба (в том числе ночного) должна быть примерно равна яркости солнечного диска. Это должно иметь место потому, что по любому направлению неба луч зрения рано или поздно упрется в поверхность звезды.
Иными словами парадос Ольберса заключается в том, что если Вселенная бесконечна, то черного неба мы не увидим, так как излучение дальних звезд будет суммироваться с излучением ближних, и небо должно иметь среднюю температуру фотосфер звезд. При поглощении света межзвездным веществом, оно будет разогреваться до температуры звездных фотосфер и излучать также ярко, как звезды. Однако в дело вступает явление "усталости света", открытое Эдвином Хабблом, который показал, что чем дальше от нас расположена галактика, тем больше становится красным свет ее излучения, то есть фотоны как бы "устают", отдают свою энергию межзвездной среде. На очень больших расстояниях галактики видны только в радиодиапазоне, так как их свет вовсе потерял энергию идя через бескрайние просторы Вселенной. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.