Эта работа началась в 1975г., во время выполнения дипломного проекта в Московском институте электронной техники. Тогда мне хотелось создать плёночный активный элемент на горячих электронах. Но когда узнал о гипотезе Гинзбурга - Киржница предложенной в 1963г., понял, что те сандвичи, которые мне приходилось создавать, как раз соответствуют требованиям этой гипотезы.
В 1957г. Бардин-Купер-Шриффер создали теорию сверхпроводимости, где основная роль в явлении сверхпроводимости отводилась образованию спаренных электронов, через взаимодействие с фононами и критическая температура перехода металла в состояние сверхпроводимости определяется некоторой характерной температурой фононов. Эта характерная температура приблизительно равна дебаевской температуре фононов, и критическая температура перехода металла в сверхпроводящее состояние определяется по формуле:
где g постоянная, пропорциональная силе притяжения между электронами. Поскольку дебаевская температура фононов не может превышать несколько сотен градусов, то грубая оценка фононного механизма сверхпроводимости в то время показывала, что критическая температура фононного механизма не может превышать 25°К., поэтому Гинзбург - Киржниц предложили для спаривания электронов использовать другие частицы, например экситоны электронного типа. Так как дебаевская температура экситонов может составлять тысячи и даже десятки тысяч градусов, то грубые теоретические расчёты показывали, что критическая температура экситонного механизма перехода металла в сверхпроводящее состояние, может достигать 300 ° К. и более, что соответствует комнатной температуре и выше. Так родилась конструкция сандвича Гинзбурга-Киржница для экситонного механизма сверхпроводимости, которую вы видите на рис.1, хотя сейчас точно знаю, что в таком сандвиче никогда не произойдёт спаривание электронов через взаимодействие с экситононами.
Рис.1 Сандвич для экситонного механизма сверхпроводимости.
Боле того, могу сказать, что при разработке экситонной теории высокотемпературной сверхпроводимости при расчёте волновых функций электрона была допущена неточность, поэтому критическая температура экситонного механизма может достигать не только комнатной температуры, но и превышать её в несколько раз. В то время у меня была возможность встречаться с одним из разработчиков теории высокотемпературной сверхпроводимости. Когда спросил у него, может ли в структуре состоящей из металлических шариков размером несколько межатомных расстояний, окружённых тонким слоем диэлектрика и сжатых до межатомных расстояний, возникать экситонный механизм сверхпроводимости. Он ответил, именно в таких структурах он и должен наблюдаться. С тех пор начал создавать многослойные сандвичи, в которых основной слой имел вышеупомянутую структуру. В конце дипломного проекта обнаружил, что на нескольких образцах имеются скачки тока на вольтамперных характеристиках, а их проводимость меняется на порядок при определённом напряжении. Это показано рис.2. На рис.3 приведена типичная характеристика структур сверхпроводникизолятор сверхпроводник.
Рис.2 В.А.Х. образцов, измеренные в 1976г.
Рис.3 Типичные ВАХ структур сверхпроводник изолятор сверхпроводник.
Такое поведение ВАХ в изученных явлениях существует только у структур сверхпроводник изолятор сверхпроводник (S -I - S ). Снова встречался с одним из разработчиков теории высокотемпературной, и мне удалось убедить его, что такие характеристики могут давать структуры S -I - S . Он не поверил в эти результаты, поскольку они теоретически доказали, что реализовать на практике экситонный механизм сверхпроводимости практически нельзя, так как металл должен иметь толщину 5Å, а это один атомный слой, что получить невозможно. Но теория теорией, а критерием истины остаётся практика.
Думал, что, приехав в Воронеж по распределению, смогу сразу продолжить работу. Но судьба сложилась иначе. А когда прочитал статью в 1987г. об открытии сверхпроводящей керамики, где было написано, когда Мюллер пришёл к Беднорцу и спросил, как создать структуру, состоящую из металлических шариков размером несколько межатомных, окружённых тонким слоем диэлектрика и сжатых до межатомных расстояний. Он ответил методом спекания керамики. Так родилась сверхпроводящая керамика критическая температура, которой в то время, достигала 112°К.. После этого подумал, что скоро доберутся и до комнатной температуры. Единственное, что меня немного утешало то, что образцы получал не методом спекания керамики, а методом естественного выращивания в определённых средах. После этого сообщения вообще забросил сверхпроводимость. Но прошло почти двадцать лет от момента открытия сверхпроводящей керамики, а сообщений об открытии сверхпроводимости при комнатной температуре, так и не было.
В декабре 2002г. мне пришла мысль ещё раз исследовать образцы, изготовленные почти 30 лет назад. Пришёл в гараж, открыл студенческий чемодан и принёс их в лабораторию. А теперь о том, что я на них увидел.
На рис. 4 , рис. 5 , рис. 6 , вы видите три график а ВАХ. , Вверху полу че нный в 1976г., в центре типичная ВАХ. для структур S - I - S , Внизу ВАХ. образцов измеренная в 2002г.
Рис.4 В.А.Х. измеренная в 1976г.
Рис.5 Типичная В.А.Х. структур S -I - S .
Рис.6 В.А.Х. измеренная в 2002г.
Все они имеют три характерных участка, начальный с высоким сопротивлением, затем при достижении напряжения 2Δ / e , скачок тока, а третий как при обычном туннелировании в структурах металл-диэлектрик-металл. Но если полученные характеристики связаны с явлением сверхпроводимости, то должна существовать критическая температура, при которой сверхпроводимость исчезает. При подключении образцов к источнику постоянного тока, на ВАХ. наблюдается петля гестирезиса. Причём ширина гестирезиса является функцией температуры и при критической температуре становится равной нулю. На рис.7 вы видите зависимость ширины гестирезиса от температуры.
Рис.7.Зависимость ширины гестирезиса от температуры:
а) при 77.°К, б) при 300.°К, в) при 620°К.
Можно предположить, что в таких сложных слоистых сандвичах, гестирезис могут вызывать подвижные ионы. Но в этом случае, с понижением температуры ширина гестирезиса должна уменьшаться, поскольку уменьшается подвижность ионов. А на графиках рис.7 мы видим обратную картину, с понижением температуры ширина гестирезиса увеличивается, что характерно только для структур S -I - S . Исходя из этих результатов, можно сделать вывод, что критическая температура перехода в сверхпроводящее состояниеисследуемых образцов составляет примерно 620°К. или 350°С.
Если эти образцы обладают сверхпроводимостью, то на них должны присутствовать эффекты Джозефсона. Методом деления образца на части были выделены участки, где толщина диэлектрика между металлами не превышала 20Å. При измерении выделенных образцов на характериографах, при подаче переменного напряжения с частотой 50 Гц. на экране наблюдался эллипс. Это вы видите на рис.8
Рис.8. Эллипс на переменномнапряжении.
Рис.9. Эллипс плюс импульсы генератора ступенек.
Как мне сказал один московский профессор: эллипс как эллипс ничего в нём интересного нет. Действительно он правильной геометрической формы и ничего интересного в самом эллипсе нет. Интересное состоит в другом, каким образом он получен на экране характериографа. Есть два способа получения эллипса: от одного источника сигнала через R -C цепочку или от двух источников сигнала. Первый вариант моделировался с помощью компьютерной программы. По мере приближения эллипса к вертикальной или горизонтальной оси эллипс вырождался в прямую линию. А как вы видите на рис.8 эллипс почти горизонтальный. Значит, эллипс получен с помощью двух источников сигнала. Если одним источником сигнала является характериограф, то вторым источником сигнала может быть только исследуемый образец. Если вы посмотрите на рис. 9 на другом характериографе, то при включении генератора ступенек на эллипсе наблюдаются импульсы генератора ступенек. Образец ведёт себя таким образом, что какой сигнал на него поступает, такой он и генерирует. Мне известно, что о низкочастотной генерации джозефсоновскими переходами, ничего неизвестно. Но это легко проверить тем, кто имеет возможность работы с этими переходами. Достаточно подключить один из сверхпроводников через ёмкость и на экране характериографа будете наблюдать и эллипс и импульсы и любой другой сигнал, который используется в характериографе.
Для исследования образцов на постоянном токе ёмкость удалялась. Образец подключался к характериографу, как к источнику постоянного тока. В результате, при нулевом напряжении на образце через него протекал постоянный ток. Это вы видите на рис.10. В сверхпроводимости такой ток называется постоянный сверхпроводящий джозефсоновский ток и обусловлен туннелированием куперовских пар при нарушении их фазовой когерентности.
Рис.10. Сверхпроводящий ток, при нулевом напряжении на образце.
Рис.11. Зависимость сверхпроводящего тока от магнитного поля.
Рис.12. Управление с верхпроводящим током.
Если это сверхпроводящий ток, то в магнитном поле он дожжен давать дифракционную картину. Эксперимент проводился с помощью постоянных магнитов, при этом менялось расстояние между магнитом и образцом. Ток измерялся в зависимости от расстояния между магнитом и образцом. Полученные результаты вы видите на рис.11. Наклон влево, согласно теории сверхпроводимости, связан с добавлением собственного магнитного поля к внешнему полю, что происходит при больших токах через переход. Хочу сразу же сказать, что при исследовании по отдельности каждого слоя, из которых состоит сандвич, ни одной из приведённых характеристик не наблюдалось. Поэтому, можно предположить, что образование куперовских пар происходит через взаимодействие электронов в основном слое, с частицами в другом слое. Возможно это экситонный механизм. А если это так, то с помощью дополнительного металлического электрода, существующего в сандвиче сверхпроводящим током легко управлять. При подаче на дополнительный электрод импульсов генератора ступенек на экране характериографа появлялось семейство выходных характеристик. Это вы видите на рис.12. Оно напоминает семейство выходных характеристик транзистора. Поэтому с помощью эффекта управления сверхпроводящим током можно создавать активные элементы для преобразования и усиления электрических сигналов. Приборы созданные на этом эффекте смогут работать при температурах от 0°К. до 620°К. и на частотах свыше 100ГГц. Таким образом, на рис.12 вы видите характеристики первого сверхпроводящего активного прибора для преобразования и усиления электрических сигналов.
А сейчас об исследовании поглощения и излучения СВЧ электромагнитных волн. Образец подключался к характериографу, как к источнику напряжения. Начальный участок джозефсоновского перехода вывидите на рис.13.
Рис13.Начальный участок ВАХ.
Рис.14.ВАХ. при воздействии СВЧ электромагнитных волн.
Рис.15. Структура основного слоя.
В начале участка наблюдается гестирезис, ширина которого зависит от магнитного поля. При наложении магнитного поля ширина гестирезиса увеличивается. Этот переход подвергался воздействию СВЧ. излучения, и результаты представлены на рис. 14. Как вы видите, в результате поглощения электромагнитных волн образовалась горизонтальная ступенька. Величина этой ступеньки в вольтах связана с частотой облучения, зарядом электрона и постоянной Планка. Предварительные измерения и расчёты постоянной Планка показывают, что её значение совпадает с табличным значением с точностью 0.02 процента. Для повышения точности нужны калиброванные измерительные приборы. А теперь об излучении электромагнитных волн. Если увеличивать ток, протекающий через образец, то над поверхностью образуются плазменные шарики красно-фиолетового цвета, что соответствует плазме воздуха. Это происходит, когда напряжённость излучаемых СВЧ. электромагнитных волн достигает значений достаточных для ионизации молекул воздуха. В результате образования плазменных шариков на поверхности образца образуется след, который слегка раскрывает структуруматериала основного слоя сандвича. Это вы видите на рис.15. Фотография сделана при очень большом увеличении, поэтому чёткость не очень хорошая.
А теперь обсудим полученные результаты. Мне приходилось встречаться с учёными и специалистами. Некоторые из них пытаются объяснить полученные результаты контактными явлениями, правда, не говорят какими. Поэтому поводу хочу сказать, похоже, они плохо представляют характеристики контактных явлений и тем более туннельных явлений в структурах S - I -S . Другие согласны, что все приведённые характеристики соответствуют структурам S - I -S , но для подтверждения сверхпроводимости необходимо измерить диамагнитную восприимчивость образцов, поскольку при переходе в сверхпроводящее состояние все материалы становятся сильными диамагнетиками. С этим я согласен. Но давайте подойдём к этому вопросу с другой стороны. Допустим, мы занимаемся исследованиями диамагнитных свойств материалов, не знаем тех результатов, которые приведены в этой работе и к нам попадают эти структуры. Мы обнаруживаем на них при комнатной температуре сильный диамагнетизм, как у сверхпроводников. Можем мы утверждать, что это сверхпроводимость? Конечно, нет, так как основное свойство сверхпроводимости, когда сопротивление проводника становится равным нулю. Если вы посмотрите на рис. 10, то там при нулевом напряжении на образце протекает ток. А это как раз и подтверждает, что сопротивление образца равно нулю. Кроме того, все джозефсоновские эффекты связаны только с туннелированием куперовских пар, а в исследуемых образцах мы наблюдаем практически все эффекты Джозефсона. Значит можно утверждать, что в исследуемых образцах существуют куперовские пары, а существование куперовских пар это основное условие возникновения сверхпроводимости, согласно теории БКШ. В процессе исследований обнаружены критическая температура и ток, а образцы в магнитном поле ведут себя так же, как и структуры сверхпроводник-изолитор-сверхпроводник. Потому, нет никаких сомнений, что металлические шарики, окружённые тонким слоем диэлектрика, находятся в состоянии сверхпроводимости при комнатной температуре и выше. А диамагнитные исследования образцов проведем, как только появится возможность. Но нет никакого сомнения, что диамагнитные свойства образцов будут такие же, как у обычных сверхпроводников, поскольку в природе не существует двух разных явлений, проявляющих одинаковые свойства. Спасибо за внимание. Буду, благодарен всем, кто сможет оказать поддержку и помощь в этой работе.
Литература:
1.Гинзбург В.Л., Киржниц Д.А. Проблема высокотемпературной сверхпроводимости- М.: Наука, 1977. – 400 с.
2.Буккель В. Сверхпроводимость. – М.: Мир, 1975.-364 с.
3.Солимар Л. Туннельный эффект в сверхпроводниках. – М.: Мир, 1974.- 428 с.
4.Дерунов В. Сайт
Американские физики разобрались с поведением электронов в так называемой псевдощелевой фазе вещества, предшествующей состоянию сверхпроводимости.
Сверхпроводимостью называют полное исчезновение электрического сопротивления вещества постоянному электрическому току при температуре ниже критической. Огромная практическая ценность сверхпроводников заключается в отсутствии в них потерь электрической энергии при протекании тока. Но на пути их широкого использования стоит очень низкая величина критической температуры. Для большинства веществ она близка к абсолютному нулю. До 1986 года наивысшей температурой обладал сплав Nb 3 Ge, для которого сверхпроводимость наступала при температуре ниже 23 К (-250° ). Поэтому возникла важная научная задача: найти вещества, переходящие в сверхпроводящее состояние при более высокой температуре, желательно близкой к комнатной, что получило название высокотемпературной сверхпроводимости.
В 1986 году были открыты высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП) на базе оксидов меди (купратов), и в течение нескольких лет критическая температура поднялась до примерно 120 К. Однако эти вещества обладают очень сложной электронной структурой, что чрезвычайно затрудняет понимание того, как в них происходит переход к сверхпроводящему состоянию, без чего невозможно разработка сверхпроводников, работающих при более высоких температурах. С тех пор уже почти 30 лет ведутся сложные эксперименты по изучению этого вопроса.
В частности, было обнаружено, что состоянию сверхпроводимости у ВТСП предшествует состояние, названное «псевдощелевой фазой». Этот термин связан с особенностью энергетического спектра электронов в веществе (так называется дискретный набор разрешенных уровней энергии электронов в атоме). Электроны с низкими значениями энергии расположены в валентной зоне, электроны с большей энергией, способные перемещаться по веществу, — в зоне проводимости. В полупроводниках и диэлектриках валентную зону и зону проводимости разделяет интервал запрещенных значений энергии, называемый «щель». Чтобы участвовать в создании тока, электрон должен получить энергию, чтобы перескочить через щель из валентной зоны в зону проводимости. Поэтому, чем больше ширина щели, тем сильнее изолирующие свойства материала.
Щель образуется и у сверхпроводников, но у нее другая природа. При возникновении сверхпроводимости электроны, близкие к уровню Ферми, образуют так называемые куперовские пары и оседают на уровне Ферми, и этот уровень начинает отделять щель от уровней одиночных электронов. Уровень Ферми определяется критической температурой.
Оказалось, что у ВТСП при температурах выше критических существует состояние с меньшим числом носителей заряда вблизи уровня Ферми, чем в обычном проводнике. Это явление получило название «псевдощель». Это состояние непонятной природы вызвало много вопросов у физиков. Поскольку состояние псевдощели предшествует и частично существует совместно со сверхпроводимостью (конкурирует с ней), ученые полагают, что исследование этого состояния поможет раскрыть тайны ВТСП. В последние годы этому вопросу посвящено много работ, одна из которых опубликована на днях в журнале «Science» .
Физики из Брукхейвенской национальной лаборатории и Корнельского университета, используя разработанный ими уникальный высокоточный сканирующий туннельный микроскоп, сумели проследить детали превращения купрата из диэлектрика в сверхпроводник, через стадию псевдощели. Их экспериментальная установка позволяла определять пространственное расположение и направление движения электронов в материале, благодаря чему удалось обнаружить два новых явления.
В исходном состоянии исследуемый купрат Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8+ δ представляет собой изолятор. Чтобы превратить его в ВТСП, к нему в качестве источника носителей заряда (дырок) химически добавляли атомы кислорода. Такой процесс называется допирование, дополнительные атомы обозначены в формуле как «+δ». Физики систематически в течение длительного времени сканировали материал при различных уровнях допирования, чтобы проследить, как изменяется поведение и расположение электронов при эволюции материала в сверхпроводящее состояние.
При повышении количества носителей заряда (уровня допирования) материал переходил из состояния диэлектрика в псевдощелевую фазу. При низкой плотности носителей заряда наблюдалась достаточно статичная картина. Возникало экзотическое периодическое статическое расположение некоторых электронов, получившее название «волны плотности» или «полосы». Эти волны похожи на полоски «замороженных» электронов. Волны плотности, как и движение электронов, ограничены определенными направлениями. При дальнейшем увеличении числа зарядов ученые обнаружили, что волны плотности исчезают, а электроны в материале обретают способность свободно двигаться в любом направлении. Причем это происходит при том же уровне допирования, что и возникновение чистой сверхпроводимости.
«Впервые эксперимент напрямую связал исчезновение волн плотности и связанных с ними наноразмерных дефектов кристаллической решетки с появлением электронов, текущих свободно во всех направлениях, необходимых для неограниченной сверхпроводимости, - сказал ведущий автор Симус Дэвис (Séamus Davis). - Эти новые измерения, наконец, показали нам, почему в таинственном псевдощелевом состоянии этого материала электроны перемещаются менее свободно».
Дэвис сравнивает наблюдения с полетом над замерзшей рекой, где можно увидеть статические фрагменты, образованные льдом, и в то же время обнаружить течение жидкой воды. Эти полеты совершаются снова и снова в течение весны, когда замороженный водный путь постепенно тает. В купрате вместо повышения температуры ученые повышали уровень допирования, чтобы «топить» волны плотности в определенной критической точке.
Это открытие подтверждает давнюю идею, что именно волны плотности ограничивают поток электронов и ухудшают максимальную сверхпроводимость в псевдощелевой фазе. «Статическое расположение электронов и связанные наноразмерные флуктуации нарушают свободный поток электронов - как лед на реке ухудшает поток жидкой воды», - говорит Дэвис.
Разумеется, получить ВТСП не так просто, как растопить лед, но это открытие дает подсказки. Если предотвратить образование статических полос, когда они возникают, в конечном итоге можно получить материалы, которые будут выступать в качестве сверхпроводника при более низкой плотности допирования и значительно более высокой температуре, считает Дэвис.
МОСКВА, 13 сен - РИА Новости. Отдельные зерна графита могут проявлять сверхпроводящие свойства при комнатной температуре после обработки водой и выпекания в печи, что говорит о возможности достижения сверхпроводимости в нормальных условиях на практике, заявляют немецкие физики в статье, опубликованной в журнале Advanced Materials .
"В целом, данные нашего эксперимента указывают на то, что сверхпроводимость при комнатной температуре осуществима, и что использованные нами методы могут проложить дорогу к новому поколению сверхпроводников, чье появление принесет пока сложно оценимую пользу для человечества," - заявил руководитель группы физиков Пабло Эскуинаци (Pablo Esquinazi) из Лейпцигского университета (Германия).
Эскуинаци и его коллеги исследовали физические свойства графита и других форм углерода. В ходе одного из экспериментов ученые засыпали графитовый порошок в пробирку с водой, размешали его и оставили в покое на 24 часа. После этого физики отфильтровали графит и высушили его в печи при температуре 100 градусов.
В результате этого ученые получили набор из гранул графита, обладающих крайне интересными физическими свойствами. Так, поверхность этих зерен обладает сверхпроводящими свойствами, которые сохраняются даже при температуре 300 градусов Кельвина, или 26 градусов Цельсия.
Это проявлялось в том, что внутри зерен появлялись характерные резкие фазовые переходы магнитного момента, существующие в классических высокотемпературных сверхпроводниках. Физикам так и не удалось проверить, обладает ли графит двумя другими основными признаками таких материалов: отсутствием сопротивления и так называемым эффектом Мейснера - полным вытеснением магнитного поля из тела проводника.
Тем не менее, открытие даже одного из эффектов позволяет предположить, что высокотемпературные сверхпроводники могут функционировать и при комнатной температуре.
К сожалению, зерна графита, полученные Эскуинаци и его коллегами, нельзя использовать в качестве "строительного материала" для сверхпроводников. Во-первых, сверхпроводящими свойствами обладает лишь 0,0001% от массы графита из-за того, что этот эффект наблюдается только на поверхности зерен. Во-вторых, эта форма графита чрезвычайно хрупкая, и физические свойства зерен теряются безвозвратно даже при малейших деформациях.
В своих последующих работах физики планируют изучить поверхность зерен и роль атомов водорода, которые остаются на их поверхности после "водной бани" и последующего просушивания. Кроме того, Эскуинаци и его коллеги проверят, обладают ли такие зерна нулевым сопротивлением, и возникает ли в них эффект Мейснера.
Правообладатель иллюстрации Thinkstock Image caption Сверхпроводники можно применять для создания электросетей
Примерно при температуре -270 градусов по Цельсию некоторые металлы пропускают электрический ток без сопротивления. Однако ученые научились достигать сверхпроводимости и при более высокой температуре около 130 кельвинов (-143 по Цельсию), и не останавливаются на достигнутом, полагая, что это ценное свойство можно воспроизвести и при комнатной температуре.
Сверхпроводники характеризуются полным отсутствием сопротивления. Так называемые сверхпроводники I рода полностью вытесняют магнитное поле.
Подобные же вещества II рода допускают наличие сверхпроводимости и сильного магнитного поля одновременно, что делает их спектр применения крайне широким.
Что есть сверхпроводимость?
Само явление было описано нидерландским химиком и физиком Хейке Каммерлингом-Оттесом в 1911 году. Он стал лауреатом Нобелевской премии двумя годами позже.
Впервые понятие сверхпроводимости появилось в научных работах советского академика Льва Ландау, который, кстати, тоже удостоился за свою работу Нобелевской премии в 1962 году.
Сверхпроводимость металлов объясняется при помощи концепции так называемых "пар Купера": двух объединенных через квант электронов с суммарно нулевым моментом импульса.
Подобные спаривания электронов возникают в кристаллической решетке некоторых металлов при охлаждении до экстремально низких температур.
Однако позднее с помощью купратов - керамик с высоким содержанием меди - ученые добились возникновения сверхпроводимости при температурах, существенно превышающих точку кипения азота (-196 по Цельсию), что, с учетом широкого производства жидкого азота, делает вещества с отсутствующим сопротивлением относительно удобными в применении.
Благодаря этим экспериментам сверхпроводники получили широкое распространение и применяются сегодня, в частности, для формирования изображения в приборах медицинской диагностики, таких как магнитные сканеры и магнитные резонаторы.
Они также широко используются в ускорителях частиц в физических исследованиях.
И тут графен?
Профессор хельсинкского Университета Аалто и Института теоретической физики имени Ландау РАН Григорий Воловик в рамках московской Международной конференции по квантовым технологиям рассказал о возможном получении сверхпроводимости при высоких температурах с помощью графена - плоской модификации .
Графену, как и сверхпроводникам, прочат блестящее будущее - им интересуются производители как лампочек, так и бронежилетов, не говоря уже о его перспективах в микроэлектронике.
Правообладатель иллюстрации IBM Image caption В обычных условиях графен проявляет свойства полупроводникаЕго потенциал физики-теоретики описывали в течение всего XX века, однако до практических исследований дело дошло лишь в XXI веке: именно за описание свойств графена, выделенного из графита, выходцы из России Константин Новоселов и Андрей Гейм .
По словам Воловика, знания о свойствах электромагнитных полей могут дать возможность построить сверхпроводник на основе плоских энергетических зон, которые можно наблюдать в "идеальном" графене.
И всё же - как быть с комнатной температурой?
Плоская зона, характерная для идеального графена, должна отличаться нулевой энергией во всей своей плоскости.
Однако реальная структура двумерной аллотропной модификации углерода часто напоминает по структуре "расплющенную колбасу", говорит профессор Воловик.
Тем не менее, специалисты не унывают: в данный момент теоретики прорабатывают несколько вариантов появления необходимой для создания сверхпроводимости в комнатных условиях плоской энергозоны, среди которых - сверхохлажденные газы.
В прошлом году американские физики из Стэнфордского университета поняли, как можно воплощать сверхпроводимость графена на практике при помощи наложенных "бутербродом" друг на друга слоев одноатомного углерода - собственно, графена - и кальция.
Поскольку чуть более года назад британские ученые , речь может идти о заметном удешевении производства необходимых материалов.
Задачей, как говорят все упомянутые специалисты, сейчас является изыскание путей производства бездефектного графена в больших объемах.
Твёрдое, жидкое, газ, плазма... что еще?
Одним из состояний вещества, для которого наблюдаются сверхпроводимость и прочие квантовые эффекты, является конденсат Бозе-Эйнштейна, названный так по теоретическим работам индийского физика Сатьендры Бозе и Альберта Эйнштейна.
Правообладатель иллюстрации Science Photo Library Image caption Сатьендра Бозе стоял у истоков изучения поведения частиц при нуле кельвиновОн является особой формой материи - это агрегатное состояние фотонов и прочих элементарных частиц, относящихся к бозонам, при температурах, близких к нулю кельвинов.
В 1995 году - спустя 70 лет после выхода теоретических обоснований Бозе и Эйнштейна - ученым удалось впервые наблюдать конденсат.
Лишь в 2010 году физикам удалось получить такой конденсат для фотонов.
В частности, выступавшая на конференции преподаватель Сколковского института науки и технологий Наталья Берлофф описывала поведение поляритонов - квазичастиц, которые возникают при взаимодействии фотонов с элементарными возбуждениями среды.
По словам Берлофф, она пыталась представить применение квантовой теории премьер-министру Дмитрию Медведеву и вице-премьеру Аркадию Дворковичу прошлым летом как национальную инициативу.
Некоторые из студентов Сколковского института науки и технологий уже активно принимают участие в международных исследованиях - в частности, ученики Берлофф входят в команду физиков, описывающих поведение упомянутых поляритонов.
В природе всё устроено гораздо проще, чем предполагает человек в своём мышлении. К примеру, все мучаются вопросом,- что такое сверхпроводимость ? Почему она возникает в проводниках только при низких температурах ? И третий вопрос - возможна ли комнатная сверхпроводимость ? Давайте подумаем над этим вместе.
При изготовлении современных магнитов прессуют смесь необходимых порошков в нужную форму, затем вставляют её в катушку, дают толчок тока, и магнит готов. Спрашивается, - почему в теле постоянного магнита запасается энергия? Для ответа на данный вопрос проделаем второй опыт. На сверхпроводниковое кольцо в криостате намотаем провод и подключим к заряженному конденсатору. При толчке тока в нём возникает сверхпроводящий ток и, как в магните, запасается мощное магнитное поле и остаётся на долгие годы. Ответ на последний вопрос предельно прост. В постоянном магните при толчке тока возникают аналогичные сверхпроводящие токи, только в объёмах атомов и доменов, которые мы визуально обнаруживаем при помощи железного порошка на полюсе магнита, и надо отметить, что всё это при комнатных температурах и выше, до точки Кюри. Для магнитов данная Т кюри - есть критическая температура пропадания намагничивания, аналогичная, как и для любого сверхпроводника Т с - чёткая температура перехода в обычный проводник.
Развитие научных знаний не имеет столбовой дороги. Подчас исследователь, открывший новое фундаментальное направление в познании, трактует его в наиболее упрощённой форме в силу немногочисленных экспериментальных данных, накопленных к тому времени. Далее такая форма, не всегда верная, подхватывается другими единомышленниками и со временем обрастает такими подробностями и мощным математическим аппаратом, способным маскировать её недостатки, что развитие теории продолжается уже автоматически. Это и произошло с электронной проводимостью Друде, где энергия в проводнике переносится только электронами. Вернуться в таком состоянии к исходным, более верным позициям, становится уже достаточно трудным делом; обучение, проведённое с несколькими поколениями, заставляет идти только вперёд до полного тупика, как и случилось со сверхпроводимостью .
Согласитесь, что электрический ток - есть перенос энергии вдоль проводника. Электрон не может быть переносчиком энергии в проводниках, поскольку имеет постоянный заряд 1,6.10 -19 Кулона, изменить который не в состоянии от природы, что для передачи энергии вообще не подходит. Почему-то никого не смущает, что электрон в проводнике движется в противоположную сторону от минуса к плюсу, хотя энергия (установлено практикой) идёт от плюса к минусу (как и в атоме - от ядра к электронам). Причём экспериментально подтверждено, - скорость электрона даже в металле не превышает 0,5 мм/сек, а энергия в проводнике переносится со скоростью света. В синхротронных ускорителях радиочастотная электромагнитная волна тащит на себе пучок электронов для их ускорения, а не наоборот. Здесь роль локомотива поезда у волны, электроны являются вагонами. К тому же, внешние электроны атомов проводника связаны химическими связями, а известно, что при движении допустимого тока механические свойства проводника не меняются и самое большее, на что способны электроны, это перескочить с атома на атом. Электрон может запасать энергию только в силе (скорости) своего движения, а при торможении сбрасывать её в виде маленькой хаотичной электромагнитной волны света, что мы и видим на примере спиральки электролампочки. То же самое происходит в любых проводниках, это становится ясным при коротком замыкании, когда проводник сгорает с ярким свечением. И последнее. Ещё Герц на заре электротехники сделал опыт, где в электролинии, очень наглядно, простым искровым промежутком показал, что энергия переносится не только по проводам, а в основном, между проводами, где электронам быть запрещено . Здесь работает обычная электромагнитная волна. Разве всё это не убедительно? Только не понимание таких простых фактов привело к не осознанию явления сверхпроводимости . Откуда же берётся электромагнитная волна для переноса энергии в проводах и сверхпроводниках по Герцу?
В любом проводнике, полупроводнике, диэлектрике на внешних валентных электронах есть три сильные электромагнитные волны. Других такой мощности на внешних электронах просто нет. Первая - это плазменная электронная , короче - плазмоэлектронная. Физически представляет собой электронную «толчею» из-за кулоновского расталкивания одноимённых зарядов. По величине её энергия составляет от единицы и до нескольких электронвольт. Определяется из опыта по характеристическим потерям энергии. На практике различают объёмные плазмоэлектронные колебания, и поверхностные, которые меньше объёмных примерно на корень из двух.
Rnrnrn rnrnrn rnrnrn
Вторая электромагнитная волна на внешних электронах - фермиевская энергия. Она нигде якобы не определяется экспериментально, поэтому измышления по её поводу слишком разнообразные. На самом деле это энергия вращения внешнего электрона любого атома вокруг ядра и ничего более, и фермиевскую энергию электрон получает от ядра, она имеет тоже строго определённую частоту (Е ф = hЧ ƒ, где h - постоянная Планка, ƒ- частота) и располагается рядом с плазмоэлектронной энергией, поскольку электроны одни и те же - внешние атомов. Энергетическое положение плазменной электронной и фермиэнергии в любом веществе в оптической спектроскопии есть край основного поглощения (или край фундаментального поглощения), где обнаруживаются так называемые экситоны (двугорбый всплеск энергии в спектроскопии). Для алюминия 1,55 эВ, для меди 2,2 эВ, для иттриевой керамики 1,95 эВ. Энергии всегда находятся рядом, но никогда не совмещаются подобно двум одинаковым индуктивно связанным контурам. Если контуры облучать их частотой, то у одного контура за счёт связи частота уходит вниз, у другого вверх. А облучение внешних электронов одно - от ядра. Отметим, что по каким-то причинам у металлов фермиэнергия немного ниже плазменной электронной, а у полупроводников и диэлектриков фермиэнергия выше плазмоэлектронной. Только поэтому у металлов возникает серия достаточно мощных боковых частот в сторону нуля энергии, в силу чего металлы хорошие проводники. А у полупроводников и диэлектриков наоборот, низкочастотные боковые опадают до малых размеров (стоксовы частоты), а высокочастотные усиливаются (антистоксовы), поэтому они плохо проводят электричество. Смена местами по величине данных двух энергий, которая производится толчком, объясняет переход Диэлектрик - Металл.
Третья электромагнитная волна - плазменная ионная (ионноплазменная). Является обобщающим элементом всех видов тепловых колебаний атомов (фононов). Во всех веществах она чётко определяется комбинационным рассеянием света. Отметим, что плазменная ионная «руководит» всем коллективом разнообразных тепловых колебаний решётки атомов в веществах (фононов), любое изменение данной энергии влечёт изменение и их величин. В этом разрезе особо надо отметить зависимость продольных акустических колебаний (обычная скорость звука в проводнике) от ионной плазменной. Энергия ионноплазменной волны не превышает 0,1 эВ, соответственно и частота её небольшая по сравнению электронными волнами.
Все три электромагнитные волны в проводниках, полупроводниках, диэлектриках естественным образом складываются в единую волну. В спокойном веществе она имеет вид стоячей волны. Эту единую волну в электролинии и показал нам Герц простым искровым промежутком, а сейчас каждый школьник в физкабинете, да и каждый желающий под высоковольтной электролинией, может посмотреть неоновой лампочкой. При любом нарушении нейтральности даже из-за случайного смещения электронов в проводнике единая волна бросается устранять нарушение и за счёт растаскивания электронов по своим местам восстанавливает порядок как хозяйка в квартире. Вот это движение электронов при наведении порядка и есть сопротивление, поскольку они от единой волны отнимают энергию на движение (как в синхротронном ускорителе), а, останавливаясь, сбрасывают избыток энергии в виде хаотического излучения - тепла. Происходит ослабление энергии единой волны на величину теплового электронного выброса. Когда растаскивать нечего она переходит в стоячую, - хозяйка отдыхает. Растаскивание инерционных электронов происходит и в опыте Толмена-Стюарта, мы же измеряем гальванометром только напряжение единой волны, её возбуждение. В полупроводниках мы, чисто опытным способом, немного научились управлять единой волной. Путём приложения напряжения к концам кристалла, мы изменяем по частоте положение плазмоэлектронной и фермиэнергии в сторону приближения, отчего падает значение сопротивления. Раздвигая обе энергии по частоте (уменьшая число электронов за счёт приложения плюс напряжения), увеличиваем сопротивление транзистора. Полупроводники имеют наиболее близкие по значению электронные энергии, поэтому и легче подчиняются регулированию.
В природе существует резонанс указанных трёх электромагнитных волн, двух электронных - плазмоэлектронной и фермиевской - с третьей ионноплазменной. В физике данный факт известен как трёхволновый резонанс . В этом случае разница по частоте электронных энергий совпадает с частотой ионноплазменной. Из теории известно; в момент резонанса суммарная энергия трёх волн поочерёдно перекачивается то в фермиевскую, то в плазмоэлектронную, то в ионноплазменную волны. Когда полная энергия попадает в ионноплазменную, тогда возбуждается весь спектр тепловых колебаний атомов, что экспериментально видим по броску теплоёмкости в проводниках. В этот момент скорость звука тоже растёт, а это значит, что звуковой волной атомы плотнее сдвигаются и растягиваются между собой вдоль проводника. При сжатии атомов между ними сдавливаются и электроны, чем и получают от ядер дополнительную энергию, в момент же расхождения атомов сбрасывают избыточную энергию не хаотически, а в виде кусочков в единую электромагнитную волну, но уже дружно, руководимые её частотой, по лазерному принципу. Это дополнение усиливает единую волну, что обнаруживается в виде отрицательного сопротивления в полупроводниках.
Есть ещё один неординарный фактор чрезвычайно важный для сверхпроводимости . Так устроила природа, что акустическая волна сжатия и разряжения атомов между собой сама по себе достаточно слаба, поскольку часть энергии уходит на образование тепла. Но в определённый момент она может быть усилена самими тепловыми колебаниями атомов и даже в несколько раз. Такое усиление называется Баллистическими колебаниями (фононами), которые возникают только при очень низких температурах . Усиление происходит только в момент перевода тепловых колебаний из хаотического движения в определённые направления при охлаждении, - по строго выделенным осям кристалла за счёт ослабления других направлений. Вот этот фактор и является главным и определяющим начало любого сверхпроводящего перехода. У каждого сверхпроводника, в силу особенностей кристаллической решётки, возникают строго свои баллистические фононы. Это обнаружилось в высокотемпературных керамиках в виде резкой анизотропии проводимости тока. Температурное включение данных колебаний усиливает акустическую волну, она сильнее сдавливает электроны к ядрам атомов, отчего электроны больше запасают энергии и значительно усиливают единую электромагнитную волну аналогично свету в лазере. А от неё резонансная ионноплазменная энергия получает мощные толчки и заставляет яростнее работать опять же акустическую волну. Образуется полноценная положительная обратная связь, что и заставляет запасать в сверхпроводниковых накопителях громадную энергию не сравнимую с любым мыслимым аккумулятором. Значит, в сверхпроводниках мы имеем два основных совместимых фактора - возникновение мощной единой электромагнитной волны на внешних электронах и, благодаря возникновению баллистических колебаний, создание усиленной обратной связи по энергии через акустическую волну. Электроны, получая дополнительную энергию в данном процессе, разгоняются на своих орбитах, и как два проводника с повышенными токами одного направления притягиваются между собой против кулоновского отталкивания до спиновой «защёлки» магнитиками. Спиновые силы крайне короткодействующие, поэтому они закрепляют спаривание двух электронов только на расстояниях порядка 10 -12 м. От спаривания получается двойная выгода; спаренные электроны не мешают единой волне двигаться и не отнимают у неё энергии своими дебройлевскими волнами. И одновременно, постоянно подкачиваясь к ядрам атомов, получают толчками энергию, а затем дружно перекачивают её единой волне для её усиления. Такая электронная пара, в отличие от пары химической связи, почти свободна в пространстве и за счёт полюсов собственных токовых магнитиков всегда разворачивается против внешнего магнитного поля, и своим вращением создаёт диамагнетизм данного вещества (в ней возникает противоток). Длина когерентности, обнаруживаемая экспериментально в сверхпроводниках , и есть длина резонансной единой электромагнитной волны (огибающая от сложения трёх электромагнитных волн).
Проверить данные соображения практически не сложно. Известно не мало веществ с сильным диамагнетизмом даже при комнатной температуре , значит там уже работает несколько усиленная резонансом единая волна и есть готовые электронные пары (к примеру СuCl, SiC). Надо взять такое вещество, определить акустическую частоту, и в неё, вместо баллистических фононов, подать ультразвуковые колебания достаточной мощности (выполнить работу ионноплазменной энергии). Этим действием усилим работу обратной связи и запустим круговорот энергии, в результате получится искусственный сверхпроводник при комнатной температуре . При этом надо помнить, что при недостаточной ультразвуковой мощности будет меняться всего лишь величина сопротивления образца. Возможно, что именно на этом принципе работают некоторые кристаллы с эффектом Ганна, где создаются мощные электрические колебания. Судя по всему, там, от действия прилагаемого электрического напряжения выше 3 киловольт возникают те же самые баллистические колебания при комнатной температуре, но почему-то кратковременные, только на период колебания. Ультразвук на малых кристаллах можно заменить лазерными импульсами с фермисекундными временами.
Согласно изложенного рассуждения можно наметить путь изготовления комнатного сверхпроводника . Надо взять материал с сильными химическими связями для успешной работы звуковой волны, приборами определить все три электромагнитные волны и при помощи введения тяжелых или лёгких атомов в кристаллическую решётку добиться трёхволнового резонанса. А затем настроить силу обратной связи звуковой волны вначале ультразвуком (или лазером), а потом, путём эксперимента разработать метод возбуждения баллистических колебаний. Для этого подойдёт карбид кремния, а в будущем лучшим сверхпроводниковым материалом будет обыкновенный углерод, поскольку в его чешуйках самые сильные химсвязи от природы, соответственно для возникновения сверхпроводимости потребуется минимальная энергия баллистических колебаний.
В заключение отметим, что сверхпроводник отличается от всех остальных материалов внутренней, резонансной единой электромагнитной волной на внешних электронах и работающей в паре с баллистическими колебаниями атомов (фононов). Доказательством этому является экспериментально обнаруживаемая в последнее время объёмная и поверхностная сверхпроводимость BB-cсылка на публикацию
Огромное Спасибо за Ваш вклад в развитие отечественной науки и техники!
