Această lucrare a început în 1975, în timpul implementării proiectului de absolvire la Institutul de Tehnologie Electronică din Moscova. Apoi am vrut să creez un element de film activ pe electronii fierbinți. Dar când am aflat de ipoteza Ginzburg - propusă de Kirzhnitsa în 1963, mi-am dat seama că acele sandvișuri pe care trebuia să le creez corespund doar cerințelor acestei ipoteze.
În 1957 Bardin-Cooper-Schriffer a creat teoria superconductivității, unde rolul principal în fenomenul de superconductivitate a fost atribuit formării electronilor împerecheți, prin interacțiunea cu fononi și temperatura critică a tranziției metalului la starea de superconductivitate este determinată de o anumită temperatură fononică caracteristică. Această temperatură caracteristică este aproximativ egală cu temperatura Debye a fononilor, iar temperatura critică a tranziției metalului la starea supraconductoare este determinată de formula:
unde g constantă proporțională cu forța de atracție între electroni. Întrucât temperatura fononilor Debye nu poate depăși câteva sute de grade, o estimare aproximativă a mecanismului fononic de superconductivitate la acel moment a arătat că temperatura critică a mecanismului fononului nu poate depăși 25 ° K. De aceea, Ginzburg - Kirzhnits a sugerat ca alte particule să fie utilizate pentru împerecherea electronilor, de exemplu, excitanții electronilor tip. Deoarece temperatura excitiilor Debye poate fi de mii sau chiar zeci de mii de grade, calcule teoretice dure au arătat că temperatura critică a mecanismului exciton al tranziției unui metal la o stare superconductoare poate atinge 300 ° K sau mai mult, ceea ce corespunde temperaturii camerei și peste. Așa s-a născut proiectarea sandvișului Ginzburg-Kirzhnits pentru mecanismul de exciton al superconductivității, pe care îl vedeți în Fig. 1, deși acum știu sigur că într-un astfel de sandwich, împerecherea de electroni nu va avea loc niciodată prin interacțiunea cu excitononii.
Fig. 1 Sandwich pentru mecanismul exciton al superconductivității.
Mai mult, pot spune că, în dezvoltarea teoriei excitonului a superconductivității la temperaturi ridicate, a fost făcută o inexactitate la calcularea funcțiilor undei electronice, prin urmare, temperatura critică a mecanismului exciton poate atinge nu numai temperatura camerei, ci și o depășește de mai multe ori. În acel moment, am avut ocazia să mă întâlnesc cu unul dintre dezvoltatorii teoriei superconductivității la temperaturi ridicate. Când l-am întrebat dacă poate exista un mecanism exciton de superconductivitate într-o structură formată din bile metalice de mai multe distanțe interatomice înconjurate de un strat subțire de dielectric și comprimat la distanțe interatomice. El a răspuns că ar trebui să fie observat în astfel de structuri. De atunci, el a început să creeze sandvișuri multistrat în care stratul principal avea structura menționată. La sfârșitul proiectului de absolvire, am descoperit că mai multe probe au creșteri de curent pe caracteristicile tensiunii curente, iar conductivitatea lor se schimbă printr-un ordin de mărime la o anumită tensiune. Acest lucru este prezentat în Fig. 2. Figura 3 prezintă o caracteristică tipică a structurilor de supraconductor ale unui izolator de supraconductor.
Fig. 2 V.A.H. probe măsurate în 1976
Fig. 3 Caracteristici tipice IV superconductor izolator superconductor.
Un astfel de comportament al caracteristicii I-V în fenomenele studiate există numai pentru structurile superconductorului izolator supraconductor (S-I -S). M-am întâlnit din nou cu unul dintre dezvoltatorii teoriei temperaturii ridicate și am reușit să-l conving că astfel de caracteristici pot da structuriS -I -S. Nu a crezut în aceste rezultate, întrucât teoretic au demonstrat că este practic imposibil să implementăm în practică mecanismul exciton al superconductivității, deoarece metalul ar trebui să aibă o grosime de 5 Å, iar acesta este un strat atomic, imposibil de obținut. Dar teoria este teorie, iar criteriul adevărului rămâne practic.
M-am gândit că, după ce am ajuns la Voronezh pentru distribuție, aș putea continua să lucrez. Dar soarta s-a dovedit diferit. Și când am citit articolul din 1987. despre descoperirea ceramicii supraconductoare, unde a fost scris când Mueller a venit la Bednorets și a întrebat cum să creeze o structură formată din bile de metal cu mai multe dimensiuni atomice, înconjurate de un strat subțire de dielectric și comprimat la distanțe interatomice. El a răspuns prin sinterizarea ceramicii. Așa că s-a născut ceramica supraconductoare, temperatura critică, care la acel moment a ajuns la 112 ° K. După aceea am crezut că vor ajunge în curând la temperatura camerei. Singurul lucru care m-a mângâiat un pic a fost că probele nu au fost obținute nu prin sinterizarea ceramicii, ci prin metoda creșterii naturale în anumite medii. După acest mesaj, superconductivitatea a fost abandonată cu totul. Dar au trecut aproape douăzeci de ani de la descoperirea ceramicii supraconductoare și nu au existat raporturi despre descoperirea superconductivității la temperatura camerei.
În decembrie 2002 Mi-a venit ideea să examinez din nou eșantioanele făcute acum aproape 30 de ani. A venit la garaj, a deschis valiza unui student și i-a adus la laborator. Și acum despre ce am văzut pe ei.
În fig.4 , Fig.5 , Fig.6 vezi trei grafic și VAC., Suspodeaua thÎn 1976, în centru este o caracteristică tipică I - V. pentru structuri S - I - S,Jos VAC. probe măsurate în 2002
Fig. 4 V.A.H. măsurat în 1976
Fig. 5 Tipic V.A.H. structuri S -I - S.
Fig. 6 V.A.H. măsurat în 2002
Toate au trei secțiuni caracteristice, cea inițială cu rezistență ridicată, apoi la atingerea unei tensiuni de 2Δ /e , un salt de curent și al treilea, ca în tunelurile convenționale în structurile metal-dielectrice-metalice. Dar dacă caracteristicile obținute sunt legate de fenomenul superconductivității, atunci trebuie să existe o temperatură critică la care superconductivitatea să dispară. La conectarea eșantioanelor la o sursă de curent continuu, cu caracteristica I-V. se observă o buclă de gestirezis. Mai mult decât atât, lățimea gestirezisului este o funcție a temperaturii, iar la temperatura critică devine egală cu zero. În Fig. 7 vedeți dependența de temperatură a lățimii gestirezisului.
Fig. 7: Dependența de temperatură a lățimii gestirezisului:
a) la 77. ° K, b) la 300. ° K, c) la 620 ° K.
Se poate presupune că în astfel de sandvișuri stratificate complexe, ioni în mișcare pot provoca gesturi. Dar în acest caz, odată cu scăderea temperaturii, lățimea gestirezei ar trebui să scadă, deoarece mobilitatea ionilor scade. Și în graficele din Fig. 7 vedem imaginea opusă, cu temperatura scăzută lățimea gestiresisului crește, ceea ce este tipic numai pentru structuri S -I -S. Pe baza acestor rezultate, putem concluziona că temperatura critică a tranziției la starea supraconductoare a eșantioanelor studiate este de aproximativ 620 ° K. sau 350 ° C.
Dacă aceste probe au supraconductivitate, atunci efectele Josephson ar trebui să fie prezente asupra lor. Prin metoda de împărțire a eșantionului în părți, au fost identificate secțiuni în care grosimea dielectricului dintre metale nu depășea 20 Å. La măsurarea eșantioanelor selectate pe caractere, când se aplică o tensiune alternativă cu o frecvență de 50 Hz. pe el se observa o elipsă. Acest lucru îl vedeți în Fig. 8
Fig. 8. Elipsa AC.
Fig. 9. Elipsa plus impulsurigenerator de scări.
După cum mi-a spus un profesor din Moscova: o elipsă ca elipsă nu este nimic interesant în ea. Într-adevăr, are o formă geometrică corectă și nu este nimic interesant în elipsă în sine. Lucrul interesant este modul diferit de obținere pe ecranul personajului. Există două modalități de a obține o elipsă: de la o sursă de semnal unică printr-un lanț R-C sau de la două surse de semnal. Prima opțiune a fost modelată folosind un program de calculator. Pe măsură ce elipsa se apropie de axa verticală sau orizontală, elipsa degenerează în linie dreaptă. Și după cum vedeți în Fig. 8, elipsa este aproape orizontală. Deci elipsa este obținută folosind două surse de semnal. Dacă caracterograful este o sursă de semnal, atunci numai proba de test poate fi a doua sursă de semnal. Dacă te uiți la fig. 9 pe un alt caracterograf, apoi atunci când generatorul de pas este pornit, etapele generatorului de pas sunt observate pe elipsă. Eșantionul se comportă în așa fel încât ce semnal ajunge la el, astfel încât să genereze. Știu că nu se știe nimic despre generarea de frecvențe joase de către joncțiunile Josephson. Dar acest lucru este ușor de verificat pentru cei care au capacitatea de a lucra cu aceste tranziții. Este suficient să conectați unul dintre supraconductori prin capacitate și pe ecranul caracterografului veți observa atât elipsa, cât și impulsurile și orice alt semnal care este utilizat în caracterograf.
Pentru a studia probele la curent constant, capacitatea a fost eliminată. Eșantionul a fost conectat la caracterograf ca o sursă de curent constant. Ca urmare, la tensiune zero pe eșantion, curge curent continuu prin ea. Aceasta vedeți în Fig. 10. În superconductivitate, un astfel de curent se numește curent continuu supraconductor Josephson și se datorează tunelării perechilor Cooper atunci când coerența lor de fază este încălcată.
Fig. 10 supraconductoare curent, la tensiune zero pe probă.
Fig. 11. Dependența curentului supraconductor de magnet câmpuri.
Fig. 12. administrare cusupraconductoare curent electric.
Dacă este un curent supraconductor, atunci într-un câmp magnetic trebuie să fie ars pentru a oferi o imagine de difracție. Experimentul a fost realizat cu ajutorul magneților permanenți, în timp ce distanța dintre magnet și probă s-a modificat. Curentul a fost măsurat în funcție de distanța dintre magnet și probă. Puteți vedea rezultatele obținute în Fig. 11. Înclinația spre stânga, conform teoriei superconductivității, este asociată cu adăugarea unui câmp magnetic intrinsec la câmpul extern, care apare la curenți mari prin tranziție. Vreau să spun imediat că, atunci când examinați individual fiecare strat din care este format sandvișul, nu a fost observată una dintre caracteristicile de mai sus. Prin urmare, se poate presupune că formarea perechilor Cooper are loc prin interacțiunea electronilor în stratul principal, cu particule într-un alt strat. Poate că acesta este un mecanism exciton. Și dacă da, atunci folosind un electrod suplimentar metalic existent în sandwich, curentul supraconductor este ușor de controlat. Atunci când aplicați impulsurile generatorului de pași la electrodul suplimentar, pe ecranul caracterografului a apărut o familie de caracteristici de ieșire. Acest lucru îl vedeți în Fig. 12. Seamănă cu familia caracteristicilor de ieșire ale tranzistorului. Prin urmare, folosind efectul de control al curentului supraconductor, este posibil să se creeze elemente active pentru convertirea și amplificarea semnalelor electrice. Dispozitivele create în acest sens vor putea funcționa la temperaturi de la 0 ° K. până la 620 ° K iar la frecvențe peste 100 GHz. Astfel, în Fig. 12 vedeți caracteristicile primului dispozitiv activ supraconductor pentru convertirea și amplificarea semnalelor electrice.
Și acum despre studiul absorbției și radiațiilor undelor electromagnetice cu microunde. Eșantionul a fost conectat la caracterograf ca sursă de tensiune. Secțiunea inițială a joncțiunii Josephson este prezentată în Fig. 13.
Figura 13: Porțiunea inițială a CVC.
Figura 14. atunci când este expus Undele electromagnetice cu microunde.
Fig. 15 Structura stratului de bază.
La începutul site-ului, se observă gestiresis, a cărui lățime depinde de câmpul magnetic. Când se aplică un câmp magnetic, lățimea gestirezei crește. Această tranziție a fost expusă la microunde. radiații, iar rezultatele sunt prezentate în Fig. 14. După cum vedeți, ca urmare a absorbției undelor electromagnetice, se formează o etapă orizontală. Mărimea acestei etape în volți este legată de frecvența iradierii, încărcarea electronului și constanta Planck. Măsurătorile preliminare și calculele constantei Planck arată că valoarea acesteia coincide cu valoarea tabelului cu o precizie de 0,02 la sută. Pentru a crește precizia, sunt necesare instrumente de măsurare calibrate. Și acum despre emisia undelor electromagnetice. Dacă curentul care curge prin eșantion este crescut, atunci bile de plasmă de culoare roșu-violet se formează deasupra suprafeței, ceea ce corespunde plasmei de aer. Acest lucru se întâmplă atunci când intensitatea cuptorului cu microunde emis. undele electromagnetice ating valori suficiente pentru ionizarea moleculelor de aer. Ca urmare a formării bilelor de plasmă pe suprafața probei, se formează o urmă, care dezvăluie ușor structura materială a stratului principal al sandvișului. Aceasta vedeți în Fig. 15. Fotografia a fost făcută la o mărire foarte mare, deci claritatea nu este foarte bună.
Acum discutați rezultatele. A trebuit să mă întâlnesc cu oameni de știință și specialiști. Unii dintre ei încearcă să explice rezultatele cu fenomene de contact, deși nu spun care dintre ele. Prin urmare, vreau să spun despre subiect, se pare că acestea reprezintă slab caracteristicile fenomenelor de contact și, în special, fenomenele de tunel în structuri S -ESTE. Alții sunt de acord că toate aceste caracteristici sunt în concordanță cu structurileS -I -S, dar pentru a confirma supraconductivitatea, este necesară măsurarea susceptibilității diamagnetice a eșantioanelor, deoarece la trecerea la starea de supraconductor toate materialele devin diamagnete puternice. Sunt de acord cu asta. Dar să abordăm această problemă dintr-o perspectivă diferită. Să presupunem că studiem proprietățile diamagnetice ale materialelor, nu știm rezultatele obținute în această lucrare și aceste structuri ajung la noi. Găsim pe ele, la temperatura camerei, un diamagnetism puternic, ca la superconductori. Putem spune că aceasta este o supraconductivitate? Desigur că nu, deoarece proprietatea principală a superconductivității este atunci când rezistența conductorului devine zero. Dacă te uiți la fig. 10, apoi la tensiune zero un curent curge prin probă. Și acest lucru confirmă doar că rezistența eșantionului este zero. În plus, toate efectele Josephson sunt asociate numai cu tunelarea perechilor Cooper, iar în eșantioanele aflate în studiu observăm aproape toate efectele Josephson. Prin urmare, se poate susține că perechile Cooper există în eșantioanele studiate, iar existența perechilor Cooper este principala condiție pentru apariția superconductivității, conform teoriei BCS. În timpul cercetării, temperatura și curentul critic au fost detectate, iar probele dintr-un câmp magnetic se comportă în același mod ca structurile superconductor-izolator-superconductor. Prin urmare, nu există nici o îndoială că bilele metalice înconjurate de un strat subțire de dielectric se află într-o stare de superconductivitate la temperatura camerei și peste. Și vom efectua studii diamagnetice ale probelor cât mai curând posibil. Dar nu există nici o îndoială că proprietățile diamagnetice ale probelor vor fi aceleași cu cele ale supraconductorilor obișnuiți, deoarece în natură nu există două fenomene diferite care să prezinte aceleași proprietăți. Vă mulțumim pentru atenție. Voi fi recunoscător tuturor celor care pot oferi sprijin și asistență în această lucrare.
Referințe:
1.Ginzburg V.L., Kirzhnits D.A. Problema superconductivității la temperaturi ridicate, Moscova: Nauka, 1977. - 400 p.
2. Bukkel V. Superconductivitatea. - M .: Mir, 1975.-364 p.
3. Solimar L. Efectul tunel în supraconductori. - M .: Mir, 1974.- 428 p.
4. Derunov V. Site
Fizicienii americani s-au ocupat de comportamentul electronilor în așa-numita fază pseudogapă a materiei anterioare stării de supraconductivitate.
Superconductivitatea este dispariția completă a rezistenței electrice a unei substanțe la un curent electric direct la o temperatură sub o temperatură critică. Valoarea enormă practică a superconductorilor constă în absența pierderii de energie electrică în aceștia atunci când curge curent. În modul de utilizare pe scară largă este o temperatură critică foarte scăzută. Pentru majoritatea substanțelor, este aproape de zero absolut. Până în 1986, aliajul Nb 3 Ge a avut cea mai ridicată temperatură, pentru care supraconductivitatea a avut loc la o temperatură sub 23 K (-250 °). Prin urmare, a apărut o problemă științifică importantă: găsirea substanțelor care se transformă într-o stare superconductoare la o temperatură mai ridicată, de preferință aproape de temperatura camerei, ceea ce se numește superconductivitate la temperaturi ridicate.
În 1986, au fost descoperite supraconductoarele cu temperaturi ridicate (HTSC) bazate pe oxizi de cupru (cuprate), iar în câțiva ani temperatura critică a crescut la aproximativ 120 K. Cu toate acestea, aceste substanțe au o structură electronică foarte complexă, ceea ce face extrem de dificil să înțelegem cum apar. trecerea la o stare superconductoare, fără de care este imposibil să se dezvolte supraconductori care operează la temperaturi mai ridicate. De atunci, timp de aproape 30 de ani, au fost efectuate experimente complexe pentru a studia această problemă.
În special, s-a constatat că starea de superconductivitate în HTSC este precedată de o stare numită „faza de pseudogap”. Acest termen este asociat cu o caracteristică a spectrului energetic al electronilor în materie (așa-numitul set discret de niveluri permise de energie a electronilor într-un atom). Electronii cu valori de energie scăzute sunt localizați în banda de valență, electronii cu energie mai mare care sunt capabili să se deplaseze prin materie sunt în banda de conducere. În semiconductori și dielectrici, benzile de valență și de conducere sunt separate printr-un interval de valori energetice interzise, \u200b\u200bnumit „gol”. Pentru a participa la crearea curentului, un electron trebuie să primească energie pentru a putea sări prin golul de la banda de valență la banda de conducere. Prin urmare, cu cât este mai mare lățimea golului, cu atât proprietățile izolatoare sunt mai puternice.
Un decalaj se formează și în supraconductorii, dar are o natură diferită. Când apare o supraconductivitate, electronii apropiați de nivelul Fermi formează așa-numitele perechi Cooper și se instalează la nivelul Fermi, iar acest nivel începe să separe diferența de nivelurile de electroni singuri. Nivelul Fermi este determinat de temperatura critică.
S-a dovedit că în HTSC la temperaturi peste critică există o stare cu un număr mai mic de purtători de sarcină în apropierea nivelului Fermi decât într-un conductor convențional. Acest fenomen se numește „pseudogap”. Această stare de neînțeles a ridicat multe întrebări în rândul fizicienilor. Deoarece starea pseudogapului precedă și există parțial împreună cu superconductivitatea (concurează cu aceasta), oamenii de știință consideră că studiul acestei stări va ajuta la dezvăluirea secretelor HTSC. În ultimii ani, multe lucrări au fost dedicate acestei probleme, dintre care una a fost publicată recent într-o revistă. "Ştiinţă" .
Fizicienii de la Brookhaven National Laboratory și Cornell University, folosind unic microscopul lor de scanare de înaltă precizie, au reușit să urmărească detaliile transformării unui cuprat dintr-un dielectric în superconductor prin etapa pseudogapului. Configurația lor experimentală a făcut posibilă determinarea aranjamentului spațial și a direcției de mișcare a electronilor în material, datorită căreia a fost posibilă detectarea a două fenomene noi.
În starea inițială, cupratul studiat Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8+ δ este un izolator. Pentru a-l transforma în HTSC, atomii de oxigen i-au fost adăugați chimic ca sursă de purtători (găuri). Un astfel de proces se numește dopaj; atomi suplimentari sunt indicați în formula „+ δ”. Fizicienii au scanat sistematic timp îndelungat materialul la diferite niveluri de dopaj pentru a urmări modul în care comportamentul și aranjarea electronilor se schimbă pe măsură ce materialul evoluează într-o stare superconductoare.
Odată cu creșterea numărului de transportatori de încărcare (nivelul de dopaj), materialul a trecut de la starea izolatorului la faza de pseudogap. La o densitate mică de purtător, s-a observat o imagine destul de statică. A existat un aranjament static exotic periodic al unor electroni, numit „undă de densitate” sau „bandă”. Aceste unde sunt ca niște benzi de electroni „înghețați”. Undele de densitate, precum mișcarea electronilor, sunt limitate de anumite direcții. Cu o creștere suplimentară a numărului de sarcini, oamenii de știință au descoperit că undele de densitate dispar, iar electronii din material câștigă capacitatea de a se deplasa liber în orice direcție. Mai mult, acest lucru apare la același nivel de dopaj cu apariția superconductivității pure.
"Pentru prima dată, un experiment a legat direct dispariția undelor de densitate și a defectelor asociate la nano-scară a rețelei de cristal, cu apariția electronilor care curg liber în toate direcțiile necesare pentru o superconductivitate nelimitată", a spus autorul principal Seusus Davis. „Aceste noi dimensiuni ne-au arătat în cele din urmă de ce, în starea misterioasă a pseudogapului acestui material, electronii se mișcă mai puțin liber.”
Davis compară observațiile cu zborul peste un râu înghețat, unde puteți vedea fragmente statice formate de gheață și, în același timp, detectați fluxul de apă lichidă. Aceste zboruri au loc din nou și din nou în timpul primăverii, când calea navigabilă înghețată se topește treptat. În cuprat, în loc să crească temperatura, oamenii de știință au crescut nivelul de dopare pentru a „scufunda” undele de densitate într-un anumit punct critic.
Această descoperire confirmă ideea de lungă durată că este vorba de unde de densitate care limitează fluxul de electroni și înrăutățesc superconductivitatea maximă în faza de pseudogap. „Aranjamentul static al electronilor și fluctuațiile asociate la nano scară perturbă curgerea liberă a electronilor - cum ar fi gheața de pe un râu agravează fluxul de apă lichidă”, spune Davis.
Evident, obținerea HTSC nu este la fel de ușor ca topirea gheții, dar această descoperire oferă indicii. Dacă împiedicați formarea benzilor statice atunci când apar, puteți obține în cele din urmă materiale care vor acționa ca un superconductor la o densitate mai mică de dopaj și o temperatură mult mai mare, a spus Davis.
MOSCOW, 13 septembrie - Știri RIA. Boabele individuale de grafit pot prezenta proprietăți supraconductoare la temperatura camerei după tratamentul cu apă și coacerea într-un cuptor, ceea ce indică posibilitatea obținerii superconductivității în condiții normale în practică, spun fizicienii germani într-un articol publicat în revista Advanced Materials.
"În general, datele experimentului nostru indică faptul că superconductivitatea la temperatura camerei este fezabilă și că metodele pe care le-am folosit pot deschide calea către o nouă generație de supraconductori, a căror apariție va fi în continuare un beneficiu dificil pentru umanitate", a declarat șeful grupului de fizicieni Pablo Escuenatsi ( Pablo Esquinazi) de la Universitatea din Leipzig (Germania).
Eskuinatsi și colegii săi au investigat proprietățile fizice ale grafitului și ale altor forme de carbon. În timpul uneia dintre experimente, oamenii de știință au turnat pulbere de grafit într-o eprubetă cu apă, au agitat-o \u200b\u200bși au lăsat-o singură timp de 24 de ore. După aceea, fizicienii au filtrat grafit și l-au uscat într-un cuptor la o temperatură de 100 de grade.
Drept urmare, oamenii de știință au obținut un set de granule de grafit cu proprietăți fizice extrem de interesante. Deci, suprafața acestor boabe are proprietăți supraconductoare, care persistă chiar și la o temperatură de 300 de grade Kelvin sau 26 de grade Celsius.
Acest lucru s-a manifestat prin faptul că în interiorul boabelor au apărut tranziții caracteristice ale fazei ascuțite ale momentului magnetic care există în superconductorii clasici la temperatură înaltă. Fizicienii nu au reușit să verifice dacă grafitul are alte două caracteristici principale ale unor astfel de materiale: absența rezistenței și așa-numitul efect Meissner - deplasarea completă a câmpului magnetic din corpul conductorului.
Cu toate acestea, descoperirea chiar a unuia dintre efecte sugerează că supraconductorii la temperaturi ridicate pot funcționa și la temperatura camerei.
Din păcate, boabele de grafit obținute de Escuatsi și colegii săi nu pot fi folosite ca „material de construcție” pentru supraconductori. În primul rând, doar 0.0001% din masa de grafit are proprietăți supraconductoare datorită faptului că acest efect este observat doar pe suprafața boabelor. În al doilea rând, această formă de grafit este extrem de fragilă, iar proprietățile fizice ale boabelor se pierd iremediabil chiar și la cea mai mică deformare.
În lucrările lor ulterioare, fizicienii intenționează să studieze suprafața boabelor și rolul atomilor de hidrogen care rămân pe suprafața lor după o „baie de apă” și uscarea ulterioară. În plus, Escuenatsi și colegii săi vor verifica dacă astfel de boabe au rezistență zero și dacă efectul Meissner apare în ele.
Ilustrația titularului dreptului de autor Thinkstock Legenda imaginii Superconductorii pot fi folosiți pentru a crea rețele electrice
La aproximativ -270 de grade Celsius, unele metale trec un curent electric fără rezistență. Cu toate acestea, oamenii de știință au învățat să obțină superconductivitatea la o temperatură mai ridicată de aproximativ 130 Kelvin (-143 Celsius) și nu se opresc aici, crezând că această proprietate valoroasă poate fi reprodusă la temperatura camerei.
Superconductorii se caracterizează printr-o lipsă completă de rezistență. Așa-numiții superconductori de tip I deplasează complet câmpul magnetic.
Substanțe similare de al doilea fel permit prezența unei supraconductivități și a unui câmp magnetic puternic în același timp, ceea ce face ca gama de aplicații să fie extrem de largă.
Ce este superconductivitatea?
Fenomenul în sine a fost descris de chimistul și fizicianul olandez Heike Kammerling-Ottes în 1911. A devenit câștigător al Premiului Nobel doi ani mai târziu.
Conceptul de superconductivitate a apărut pentru prima dată în lucrările științifice ale academicianului sovietic Lev Landau, care, întâmplător, a câștigat și Premiul Nobel în 1962 pentru munca sa.
Superconductivitatea metalelor este explicată folosind conceptul așa-numitelor „perechi Cooper”: doi electroni combinați printr-un cuantic cu un moment unghiular total zero.
Asocieri similare de electroni apar în rețeaua de cristal a unor metale la răcire la temperaturi extrem de scăzute.
Ulterior, însă, cu ajutorul cupratelor - ceramică cu un conținut ridicat de cupru - oamenii de știință au obținut o supraconductivitate la temperaturi care depășesc semnificativ punctul de fierbere al azotului (-196 Celsius), care, având în vedere producția largă de azot lichid, face ca substanțele cu o rezistență absentă să fie relativ convenabile de utilizat.
Datorită acestor experimente, superconductorii sunt utilizați pe scară largă și sunt folosiți astăzi, în special, pentru imagistică în dispozitivele de diagnostic medical, precum scanere magnetice și rezonatoare magnetice.
De asemenea, sunt utilizate pe scară largă în acceleratoarele de particule în cercetarea fizică.
Și apoi grafen?
Grigory Volovik, profesor la Universitatea Aalto din Helsinki și Institutul de Fizică Teoretică Landau al Academiei Ruse de Științe, la Conferința internațională din Moscova privind tehnologiile cuantice a vorbit despre posibila producție de superconductivitate la temperaturi ridicate, folosind grafen - o modificare plană.
Grafenul, ca și supraconductorii, li se promite un viitor luminos - ei sunt interesați atât de producătorii de becuri, cât și de veste antiglonț, ca să nu mai vorbim de perspectivele sale în microelectronică.
Ilustrația titularului dreptului de autor IBM Legenda imaginii În condiții obișnuite, grafenul prezintă proprietăți semiconductoare.Fizicienii teoretici și-au descris potențialul pe tot parcursul secolului XX, dar a ajuns la cercetări practice abia în secolul XXI: Konstantin Novoselov și Andrei Game au venit din Rusia pentru a descrie proprietățile grafenului izolat din grafit.
Potrivit Volovik, cunoașterea proprietăților câmpurilor electromagnetice poate face posibilă construirea unui superconductor bazat pe benzi de energie plană, care poate fi observat în grafenul „perfect”.
Și totuși - ce zici de temperatura camerei?
Zona plană caracteristică grafenului ideal ar trebui să difere în energie zero în întregul plan.
Cu toate acestea, structura reală a unei modificări alotropice în două dimensiuni a carbonului se aseamănă adesea cu un cârnat aplatizat în structură, spune profesorul Volovik.
Cu toate acestea, experții nu sunt descurajați: în prezent, teoreticienii lucrează la mai multe opțiuni pentru apariția unei zone de energie plană necesară pentru crearea superconductivității în condițiile încăperii, inclusiv a gazelor supracoolate.
Anul trecut, fizicienii americani de la Universitatea Stanford au realizat modul în care superconductivitatea grafenului poate fi pusă în practică folosind straturi sandwich de carbon monatomic - de fapt grafen - și calciu.
De acum ceva mai mult de un an, cercetători britanici, putem vorbi despre o reducere semnificativă a costurilor de producție a materialelor necesare.
Sarcina, așa cum spun toți specialiștii menționați, este acum să găsească modalități de a produce grafen fără defecte în volume mari.
Solid, lichid, gaz, plasmă ... ce altceva?
Una dintre stările de materie pentru care se observă supraconductivitatea și alte efecte cuantice este condensatul Bose-Einstein, numit după lucrările teoretice ale fizicianului indian Satyendra Bose și Albert Einstein.
Ilustrația titularului dreptului de autor Biblioteca foto științifică Legenda imaginii Satyendra Bose a fost la originea studiului comportamentului particulelor la Kelvin zeroEste o formă specială a materiei - aceasta este starea totală a fotonilor și a altor particule elementare legate de bosoni la temperaturi apropiate de zero Kelvin.
În 1995 - la 70 de ani de la lansarea justificărilor teoretice ale lui Bose și Einstein - oamenii de știință au putut observa condensul pentru prima dată.
Abia în 2010, fizicienii au reușit să obțină un astfel de condens pentru fotoni.
În special, Natalya Berloff, profesoară la Institutul de Știință și Tehnologie Skolkovo, care a vorbit în cadrul conferinței, a descris comportamentul polaritonilor - cvasiparticule - care apar atunci când fotonii interacționează cu excitațiile elementare ale mediului.
Potrivit lui Berloff, ea a încercat să prezinte aplicarea teoriei cuantice premierului Dmitri Medvedev și vicepremierului Arkady Dvorkovici în vara anului trecut ca inițiativă națională.
Unii dintre studenții de la Institutul de Știință și Tehnologie Skolkovo participă deja activ la cercetarea internațională - în special, studenții lui Berloff fac parte dintr-o echipă de fizicieni care descriu comportamentul poloniilor menționați mai sus.
În natură, totul este aranjat mult mai ușor decât sugerează o persoană în gândirea sa. De exemplu, toată lumea este chinuită de întrebarea - ce este supraconductibilitate? De ce apare? conductori numai atunci când temperaturi scăzute ? Iar a treia întrebare este dacă este posibil superconductivitatea camerei? Să ne gândim la asta împreună.
La fabricarea magneților moderni, un amestec de pulberi necesare este presat în forma dorită, apoi este introdus într-o bobină, se dă un impuls curent și magnetul este gata. Întrebarea este: de ce este stocată energia în corpul unui magnet permanent? Pentru a răspunde la această întrebare, vom face al doilea experiment. pe supraconductoare înfășurați firul în criostat și conectați-l la condensatorul încărcat. Atunci când apare un glumeț curent în el supraconductoare curent și, ca într-un magnet, un câmp magnetic puternic este păstrat și rămâne mulți ani. Răspunsul la ultima întrebare este extrem de simplu. Într-un magnet permanent, cu un zgomot de curent, similar supraconductoare curenți, numai în volumele de atomi și domenii pe care le detectăm vizual cu pulbere de fier la polul magnetului, și trebuie menționat că toate acestea la temperatura camerei și mai sus, până la punctul Curie. Pentru magneți, această curie T este temperatura critică a dispariției magnetizării, similară cu cea pentru oricare supraconductor T s - o temperatură de tranziție clară către un conductor convențional.
Dezvoltarea cunoștințelor științifice nu are o autostradă. Uneori, un cercetător, care a descoperit o nouă direcție fundamentală în cunoaștere, o interpretează în forma cea mai simplificată datorită puținelor date experimentale acumulate de atunci. În plus, o astfel de formă, care nu este întotdeauna adevărată, este preluată de alți oameni cu gândire similară și, în timp, dobândește astfel de detalii și un aparat matematic puternic care poate masca neajunsurile sale că dezvoltarea teoriei continuă automat. Acest lucru s-a întâmplat cu conductivitatea electronică a Drude, unde energia din conductor este transferată doar de electroni. Revenirea în această stare la pozițiile inițiale, mai credincioase, devine deja o sarcină destul de dificilă; instruirea desfășurată cu mai multe generații te face să mergi mai departe doar către un punct mort, cum s-a întâmplat cu supraconductibilitate.
De acord că curentul electric este transferul de energie de-a lungul unui conductor. Un electron nu poate fi un purtător de energie în conductoare, deoarece are o încărcare constantă de 1.6.10 -19 Coulomb, care nu poate fi modificată prin natură, care nu este potrivit pentru transferul de energie. Din anumite motive, nu deranjează pe nimeni că electronul din conductor se deplasează în direcția opusă de la minus la plus, deși energia (stabilită prin practică) merge de la plus la minus (ca într-un atom - de la nucleu la electroni). Mai mult, s-a confirmat experimental că viteza unui electron chiar și într-un metal nu depășește 0,5 mm / s, iar energia din conductor este transferată la viteza luminii. În acceleratoarele de sincrotron, o undă electromagnetică cu frecvență radio trage un fascicul de electroni pe sine pentru a le accelera și nu invers. Aici rolul locomotivei trenului în val, electronii sunt mașinile. În plus, electronii externi ai atomilor conductorului sunt conectați prin legături chimice și se știe că atunci când curentul admis se mișcă, proprietățile mecanice ale conductorului nu se schimbă și cel mult de care sunt capabili electronii, acesta sare din atom în atom. Un electron poate stoca energie doar în puterea (viteza) mișcării sale, iar la frânare poate fi aruncat sub forma unei mici unde electromagnetice haotice de lumină, pe care o vedem prin exemplul unei spirale cu bec. Același lucru se întâmplă în orice conductor, acest lucru devine clar cu un scurtcircuit, când conductorul se arde cu o strălucire strălucitoare. Și ultimul. Chiar și în zorii ingineriei electrice, Hertz a făcut un experiment în care, într-o linie de alimentare, foarte clar, cu o simplă distanță de scânteie, el a arătat că energia este transferată nu numai prin fire, ci în principal între fire, unde electronii sunt interzise. O undă electromagnetică obișnuită funcționează aici. Nu toate acestea sunt convingătoare? Doar că nu înțelegerea unor astfel de fapte simple a dus la o lipsă de conștientizare a fenomenului supraconductibilitate. De unde provine unda electromagnetică pentru transferul de energie în firele Hertz și supraconductorii?
În orice conductor, semiconductor, dielectric pe electronii cu valență externă, există trei unde electromagnetice puternice. Pur și simplu, nu există o astfel de putere la electronii externi. Primul este electronul plasmatic, în electroni cu plasmă scurtă. Fizic, este o „zdrobire” electronică datorită repulsiei Coulomb a acelorași sarcini. În mărime, energia sa variază de la unu la mai mulți electroni volți. Este determinat din experiență cu privire la pierderile caracteristice de energie. În practică, există oscilații plasmoelectronice tridimensionale și suprafață, care sunt mai mici decât volumul cu aproximativ rădăcina celor două.
Rnrnrn rnrnrn rnrnrn
A doua undă electromagnetică la electronii externi este energia Fermi. Se presupune că nicăieri nu poate fi determinată experimental, deci fabricările despre aceasta sunt prea diverse. De fapt, aceasta este energia de rotație a electronului extern al oricărui atom din jurul nucleului și nimic mai mult, iar electronul primește energia Fermi din nucleu, are și o frecvență strict definită (Е ф \u003d hЧ ƒ, unde h este constanta Planck, ƒ este frecvența) și se află în apropiere cu energie plasmă-electroni, deoarece electronii sunt aceiași - atomi externi. Poziția energetică a electronului plasmatic și a energiei fermionului în orice substanță din spectroscopie optică este marginea absorbției principale (sau marginea absorbției fundamentale), unde sunt detectate așa-numitele excitone (explozie de energie în doi spectatori în spectroscopie). Pentru aluminiu 1,55 eV, pentru cupru 2,2 eV, pentru ceramica cu litiu 1,95 eV. Energiile sunt întotdeauna în apropiere, dar niciodată combinate ca două circuite identice cuplate inductiv. Dacă circuitele sunt iradiate cu frecvența lor, atunci într-un circuit, datorită cuplării, frecvența scade, în cealaltă în sus. Iar iradierea electronilor externi este un lucru - din nucleu. Rețineți că, din anumite motive, energia fermi este puțin mai mică decât electronul plasmatic în metale, iar energia fermionului este mai mare decât electronul plasmatic în semiconductori și dielectrici. Acesta este doar motivul pentru care metalele au o serie de frecvențe laterale destul de puternice în direcția energiei zero, motiv pentru care metalele sunt bune conductoare. Și pentru semiconductori și dielectrici, dimpotrivă, cele de joasă frecvență se încadrează la dimensiuni mici (frecvențe Stokes), iar cele de înaltă frecvență sunt amplificate (anti-Stokes), astfel încât acestea conduc electric slab. Schimbul de mărime a datelor celor două energii, care se realizează prin împingere, explică tranziția Dielectric - Metal.
A treia undă electromagnetică este ionul plasmatic (ionul plasmatic). Este un element generalizator al tuturor tipurilor de vibrații termice ale atomilor (fononi). În toate substanțele, este clar determinat de împrăștierea Ramanului. Rețineți că ionul plasmatic „direcționează” întreaga echipă diverse vibrații termice ale zăcământului de atomi din substanțe (fononi), orice schimbare a acestei energii atrage după sine o modificare a valorilor lor. În această secțiune, este de remarcat în special dependența vibrațiilor acustice longitudinale (viteza obișnuită a sunetului într-un conductor) de plasma ionică. Energia undei ion-plasmă nu depășește, respectiv, 0,1 eV, iar frecvența sa este mică în comparație cu undele electronilor.
Toate cele trei unde electromagnetice din conductoare, semiconductoare și dielectrice formează în mod natural o singură undă. Într-o substanță calmă, are aspectul unui val în picioare. Hertz ne-a arătat acest singur val în linia electrică cu o simplă distanță de scânteie, iar acum fiecare școlar din cabinetul fizic și toți cei care doresc, sub linia de înaltă tensiune, pot vedea o lumină de neon. Pentru orice încălcare a neutralității, chiar din cauza unei deplasări accidentale a electronilor în conductor, un singur val se grăbește să elimine încălcarea și, prin tragerea electronilor în locurile lor, restabilește ordinea ca amantă într-un apartament. Această mișcare de electroni atunci când restabilește ordinea este rezistență, deoarece acestea iau energia departe de o singură undă în mișcare (ca într-un accelerator de sincrotron), iar atunci când sunt opriți, aruncă excesul de energie sub formă de radiații haotice - căldură. Energia unei singure unde este atenuată de valoarea emisiilor de electroni termici. Când nu este nimic de luat, ea intră într-una în picioare, stăpâna se odihnește. Tragerea electronilor inerțiali are loc și în experimentul Tolman-Stuart, dar măsurăm cu un galvanometru doar tensiunea unei singure unde, excitația sa. În semiconductori, într-un mod pur experimental, am învățat puțin cum să controlăm o singură undă. Prin aplicarea tensiunii la capetele cristalului, schimbăm poziția de frecvență a energiei de plasmă-electron și fermion în direcția de aproximare, ceea ce determină scăderea valorii rezistenței. Răspândind ambele energii în frecvență (scăzând numărul de electroni datorită aplicării tensiunii plus), creștem rezistența tranzistorului. Semiconductorii au cele mai apropiate energii electronice în valoare și, prin urmare, sunt mai ușor să se supună reglementărilor.
În natură, există o rezonanță a acestor trei unde electromagnetice, două electronice - plasmă-electron și Fermi - cu cel de-al treilea ion-plasmă. În fizică, acest fapt este cunoscut sub numele de rezonanță cu trei unde. În acest caz, diferența de frecvență a energiilor electronilor coincide cu frecvența ion-plasmă. Din teorie se știe; în momentul rezonanței, energia totală a celor trei unde este pompată alternativ la unda Fermi, apoi undele plasm-electron sau ion-plasmă. Când energia totală intră în plasma ionică, atunci întregul spectru al vibrațiilor termice ale atomilor este excitat, ceea ce este observat experimental prin aruncarea capacității de căldură în conductoare. În acest moment, viteza sunetului crește, de asemenea, ceea ce înseamnă că atomii cu o undă sonoră sunt mai deplasate și întinse împreună de-a lungul conductorului. Când se comprimă atomii, se strâng electroni între ei, motiv pentru care primesc energie suplimentară din nuclee, în momentul discrepanței atomice energia în exces nu este eliberată la întâmplare, ci sub formă de piese într-o singură undă electromagnetică, ci deja ghidată pe cale amiabilă de frecvența sa, conform principiului laser. Această adăugare îmbunătățește o singură undă, care este detectată ca o rezistență negativă la semiconductori.
Există un alt factor extraordinar pentru care este extrem de important supraconductibilitate. Deci natura a aranjat că unda acustică de compresie și descărcare de atomi între ele este destul de slabă în sine, deoarece o parte a energiei merge către generarea de căldură. Dar, la un moment dat, poate fi îmbunătățit de vibrațiile termice ale atomilor înșiși și chiar de mai multe ori. O astfel de amplificare se numește oscilații balistice (fononi), care apar numai la temperaturi foarte scăzute. Amplificarea are loc numai în momentul transferului vibrațiilor termice de la mișcare haotică la anumite direcții în timpul răcirii, de-a lungul axelor de cristal strict selectate din cauza slăbirii altor direcții. Acest factor este începutul principal și determinant al oricărei tranziții supraconductoare. Fiecare superconductor, datorită caracteristicilor rețelelor de cristal, are propriile fone strict balistice. Acest lucru a fost găsit în ceramică la temperaturi ridicate, sub forma unei anisotropii ascuțite a conductivității actuale. Includerea temperaturii acestor oscilații îmbunătățește unda acustică, comprimă electronii mai puternic la nucleii de atomi, ceea ce face ca electronii să stocheze mai multă energie și semnificativ întărește o singură o undă electromagnetică este similară cu lumina într-un laser. Și din aceasta, energia rezonantă a plasmului ionic primește șocuri puternice și face ca unda acustică să funcționeze din nou mai violent. Se formează feedback pozitiv pe deplin, ceea ce ne face să avem stocuri supraconductor energia uriașă de stocare nu este comparabilă cu nicio baterie imaginabilă. Deci în supraconductori avem doi factori principali compatibili - apariția unei puternice unde electromagnetice puternice pe electronii externi și, datorită apariției oscilațiilor balistice, crearea revers întărit comunicații energetice printr-o undă acustică. Electronii, care primesc energie suplimentară în acest proces, se accelerează pe orbitele lor și ca doi conductori cu curenți crescuți de aceeași direcție sunt atrași unul împotriva celuilalt împotriva repulsiei Coulomb către „zăvorul” rotativ de către magneți. Forțele de centrifugare sunt cu rază de acțiune extrem de scurtă, de aceea fixează împerecherea a doi electroni doar la distanțe de ordinul de 10 -12 m. Împerecherea oferă un dublu beneficiu; electronii împerecheți nu împiedică o singură undă să se miște și nu preia energie din ea cu undele sale De Broglie. Și, în același timp, pompând constant până la nucleele de atomi, obțin energie în împingeri și apoi împreună o pompează într-o singură undă pentru a o amplifica. O astfel de pereche de electroni, spre deosebire de o pereche de legături chimice, este aproape liberă în spațiu și, datorită polilor propriilor magneți de curent, se întoarce întotdeauna împotriva unui câmp magnetic extern, iar cu rotirea sa creează un diamagnetism al acestei substanțe (contracurentul apare în el). Lungimea coerenței găsită experimental în supraconductori, și este lungimea undei electromagnetice unice rezonante (plic de la adăugarea a trei unde electromagnetice).
Verificați aceste considerente practic nu este dificil. Nu puține substanțe cu un puternic diamagnetism chiar și la temperatura camerei, apoi o singură undă, oarecum amplificată prin rezonanță, funcționează deja acolo și există perechi de electroni pregătiți (de exemplu, CuCl, SiC). Este necesar să luați o astfel de substanță, să determinați frecvența acustică și, în loc de fononi balistici, aplicați vibrații ultrasonice cu putere suficientă (efectuați energia ion-plasmatică). Prin această acțiune, vom consolida activitatea de feedback și vom începe ciclul energetic supraconductor artificial la temperatura camerei. Trebuie amintit că, cu o putere ultrasonică insuficientă, numai valoarea rezistenței probei se va schimba. Este posibil ca pe acest principiu să funcționeze unele cristale cu efect Gunn, unde sunt create vibrații electrice puternice. Aparent, acolo, din acțiunea tensiunii electrice aplicate peste 3 kilovolți, aceleași oscilații balistice apar la temperatura camerei, dar, din anumite motive, pe termen scurt, numai pentru perioada de oscilație. Ecografia pe cristale mici poate fi înlocuită cu impulsuri laser cu timp fermisecond.
Conform raționamentelor de mai sus, putem contura calea de fabricație superconductor de cameră. Este necesar să se ia material cu legături chimice puternice pentru funcționarea cu succes a undei sonore, pentru a determina toate cele trei unde electromagnetice cu dispozitive și prin introducerea de atomi grei sau ușori în zăbrele de cristal pentru a obține rezonanță cu trei unde. Și apoi ajustați puterea feedback-ului undei sonore, mai întâi cu ultrasunete (sau cu un laser) și apoi, prin experiment, dezvoltați o metodă pentru vibrații balistice interesante. Pentru aceasta, carbura de siliciu este potrivită, iar în viitor cea mai bună sverhprovodnikovym carbonul obișnuit va fi materialul, deoarece în fulgii săi cele mai puternice legături chimice sunt din natură, respectiv, pentru apariție supraconductibilitate va fi necesară energia minimă a oscilațiilor balistice.
În concluzie, observăm că superconductorul diferă de toate celelalte materiale din unda electromagnetică internă, rezonantă, unică la electronii externi și lucrează în combinație cu vibrațiile balistice ale atomilor (fononi). Dovada acestui fapt a fost recent descoperită experimental în volum și în suprafață superconductivitate BB-link la publicație
Vă mulțumim foarte mult pentru contribuția dvs. la dezvoltarea științei și tehnologiei autohtone!
