Вход    
Логин 
Пароль 
Регистрация  
 
Блоги   
Демотиваторы 
Картинки, приколы 
Книги   
Проза и поэзия 
Старинные 
Приключения 
Фантастика 
История 
Детективы 
Культура 
Научные 
Анекдоты   
Лучшие 
Новые 
Самые короткие 
Рубрикатор 
Персонажи
Новые русские
Студенты
Компьютерные
Вовочка, про школу
Семейные
Армия, милиция, ГАИ
Остальные
Истории   
Лучшие 
Новые 
Самые короткие 
Рубрикатор 
Авто
Армия
Врачи и больные
Дети
Женщины
Животные
Национальности
Отношения
Притчи
Работа
Разное
Семья
Студенты
Стихи   
Лучшие 
Новые 
Самые короткие 
Рубрикатор 
Иронические
Непристойные
Афоризмы   
Лучшие 
Новые 
Самые короткие 
Рефераты   
Безопасность жизнедеятельности 
Биографии 
Биология и химия 
География 
Иностранный язык 
Информатика и программирование 
История 
История техники 
Краткое содержание произведений 
Культура и искусство 
Литература  
Математика 
Медицина и здоровье 
Менеджмент и маркетинг 
Москвоведение 
Музыка 
Наука и техника 
Новейшая история 
Промышленность 
Психология и педагогика 
Реклама 
Религия и мифология 
Сексология 
СМИ 
Физкультура и спорт 
Философия 
Экология 
Экономика 
Юриспруденция 
Языкознание 
Другое 
Новости   
Новости культуры 
 
Рассылка   
e-mail 
Рассылка 'Лучшие анекдоты и афоризмы от IPages'
Главная Поиск Форум
Выбрать писателя: А Б В Г Д Е Ж З И К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я
 
книги
Рефераты >> Наука и техника >> В железосодержащих сверхпроводниках обнаружен изотопический эффект

В железосодержащих сверхпроводниках обнаружен изотопический эффект

Скачать в архиве Скачать

В железосодержащих сверхпроводниках обнаружен изотопический эффект

Открытые два года обратно железосодержащие сверхпроводники возродили интерес к одной из самых интригующих физических проблем современности — построению теории высокотемпературной сверхпроводимости. Главной загадкой на пути решения этой задачи остаются неизвестные и не понятые до сих пор процессы внутри вещества, которые ответственны за его сверхпроводящее состояние и которые позволяют ему иметь высокую критическую температуру (температуру перехода из нормального состояния в сверхпроводящее). Японские ученые в журнале Physical Review Letters опубликовали экспериментальную работу, результаты которой могут внести некоторую определенность в понимание этих внутренних механизмов сверхпроводимости с высокой критической температурой.

Кристаллическая решетка BaFe2As2. Изображение с сайта www.natureasia.com

Сверхпроводимость характеризуется отсутствием электрического сопротивления и идеальным диамагнетизмом (абсолютным непроникновением магнитного поля внутрь материала). Она возникает у веществ, которые имеют температуру ниже определенного, характерного только для них значения. Такая температура называется критической (Tc).

Хотя сверхпроводимость была открыта голландским ученым Хейке Камерлинг-Оннесом вдобавок в начале прошлого века (в 1911 году), объяснено это явление было лишь спустя примерно 50 лет (в 1957 году). Создателями теории сверхпроводимости принято считать Джона Бардина, Леона Купера и Джона Шриффера. Они установили, что вещество становится сверхпроводящим благодаря объединению электронов проводимости в пары (именуемые куперовскими) и их дальнейшей синхронизации. Иными словами, все электроны ведут себя как единое неделимое (ни один из электронов не стремится в этом состоянии показать свою «индивидуальность») и благодаря этому обтекают без какого-либо сопротивления кристаллическую решетку вещества.

Появление куперовских пар обусловлено сложным взаимодействием ионов кристаллической решетки и электронов. Электроны обмениваются безмассовыми «почти» частицами (квазичастицами) фононами — квантами колебательного движения ионов. «Почти» — потому что фононы не могут существовать в свободном состоянии, их жизнь ограничена кристаллической решеткой. В результате обмена квазичастицами промеж электронами появляется притяжение, что в свою очередь приводит к образованию куперовских пар. Описанный процесс формирования куперовских пар получил наименование электрон-фононного взаимодействия (механизма). Именно этот механизм и составляет основу теории сверхпроводимости, или теории БКШ, названной так по первым буквам фамилий ее авторов.

Надо сказать, что теория БКШ, как и любая другая физическая теория, не возникла спонтанным образом. Она стала итогом последовательных экспериментальных и теоретических исследований различных ученых. Среди этого многообразия особо стоит выделить публикации английского физика Герберта Фрёлиха, который в 1950 году первым указал на существенную роль влияния ионов на электроны в возникновении сверхпроводимости. Из своей идеи профессор смог вывести заключение о том, что критическая температура в семействе изотопов данного сверхпроводника должна быть назад пропорциональна квадратному корню массы иона М (молекулярной массы), то есть Tc ~ M–α (значок «~» обозначает пропорциональность), где α = 0,5. Проще говоря, чем больше молекулярная масса сверхпроводящего вещества, тем меньше его критическая температура. Такая зависимость получила наименование «изотопический эффект», или «изотоп-эффект». В том же году Эммануэль Максвелл обнаружил изотопический эффект в изотопах ртути, что явилось веским доказательством правильности гипотезы Фрёлиха. Позже изотоп-эффект был открыт и у других сверхпроводников (см. таблицу 1).

Таблица 1. Изотопический эффект в различных сверхпроводниках

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

La0,89Sr0,11CuO4

(замена 16О на 18О)

≈0,07?

YBa2Cu3O7

(замена 16О на 18О)

≈0,02?

*Знак вопроса означает, что ученые не знают истинной причины формирования куперовских пар и, сообразно, возникновения сверхпроводимости.

Отметим, что в рассуждениях Фрёлиха речь шла о моноатомных сверхпроводниках, то есть материалах, образованных из одного химического элемента.

Когда в 1986-87 годах была обнаружена высокотемпературная сверхпроводимость в купратных (медьсодержащих) соединениях La0,89Sr0,11CuO4 (Tc = 40 К) и YBa2Cu3O7 (Tc = 92 К) и др., ученым стало ясно, что ставшая уже классической теория БКШ не в состоянии ее объяснить. БКШ-теория не допускает существования столь высокой критической температуры в веществах с такой силой электрон-фононного взаимодействия. На то, что не фононы заставляют объединяться электроны в высокотемпературных сверхпроводниках (ВТСП), указывало и неимение у этих ВТСП изотоп-эффекта по кислороду — элементу, который наряду с медью присутствует во всех открытых впоследствии сверхпроводниках с высокой Tc. Замещение традиционного кислорода 16О другими его изотопами чрезвычайно слабо изменяло критическую температуру (см. таблицу 1).

С тех пор изотоп-эффект стал рассматриваться как необыкновенный тест на причастность фононов к появлению сверхпроводимости. Если α равно или близ к 0,5, то в данном материале куперовские пары (сверхпроводимость) возникают за счет электрон-фононного притяжения. В противном случае сверхпроводимость вызвана иным механизмом.

Чтобы выявить наличие или неимение изотоп-эффекта в сверхпроводнике, надобно определить показатель степени α в зависимости Tc ~ M–α. Рассчитать α из экспериментальных данных не сложно. Так как Tc ~ M–α, то герб равенства промеж критической температурой и массой иона возникнет, если переписать эту зависимость в таком виде: Tc = const·M–α (const — это постоянная величина, константа, которая от Tc и M не зависит). Продифференцировав Tc по M и вспомнив определение производной функции, получим формулу:

,

где ΔM и ΔT соответствуют разности масс ионов и разности критических температур, возникающей при замещении иона его изотопом. Из этой формулы, опираясь на экспериментальные данные, ученые и определяют α, то есть наличие или неимение изотопического эффекта.

Конечно, изотоп-эффект не дает прямого ответа на важнейший вопрос высокотемпературной сверхпроводимости: что заставляет электроны в ВТСП объединяться в пары? Однако он играет важную роль в распутывании этой загадки, в частности позволяет определить ступень причастности фононов к возникновению куперовских пар.

С открытием в 2008 году железосодержащих ВТСП поиски причин возникновения высокотемпературной сверхпроводимости возобновились с новой силой. И, конечно, в первую очередь ученых заинтересовала величина вклада электрон-фононного взаимодействия в сверхпроводимость «железных» сверхпроводников. Будет ли этот вклад отличен от нуля или он так же пренебрежительно мал, как и в купратных ВТСП? Один из возможных способов решения данной проблемы связан с обнаружением (или необнаружением) изотопического эффекта по железу — веществу, объединяющие «железные» сверхпроводники в один класс.

Впервые изотоп-эффект в железосодержащих ВТСП, а точнее, в поликристаллических соединениях SmFeAsO1–xFx (х = 0,15) с Tc = 40 К и Ba1–xKxFe2As2 (х = 0,4) с Tc = 37 К был открыт группой китайских ученых в 2009 году. Заменяя атомы природного (наиболее распространенного) железа 56Fe изотопом 54Fe, исследователи выяснили, что показатель степени α находится вблизи от 0,5 и предположительно равен 0,35. Из результатов эксперимента ученые заключили, что частично (частично — потому что α равно не 0,5, а чуть меньше – 0,35) куперовские пары формируются под действием электрон-фононного взаимодействия, но бесспорно, что количественно этот процесс классической теорией БКШ не описать.

История с изотопическим эффектом в железосодержащих сверхпроводниках получила свое продолжение в недавно опубликованной в журнале Physical Review Letters статье японских ученых Inverse Iron Isotope Effect on the Transition Temperature of the (Ba,K)Fe2As2 Superconductor (доступной также здесь). Они сосредоточили свое внимание на изотоп-эффекте по железу в поликристаллах Ba1–xKxFe2As2 — сверхпроводника, в котором тот же эффект по железу исследовали их китайские коллеги.

Чтобы достичь минимальной грехи в итоговых результатах, авторы статьи приготовили семь наборов из сверхпроводящего Ba1–xKxFe2As2 по два образца в каждом. Условия их производства были совершенно идентичными. разность заключалась лишь в химическом составе, а точнее, в использовании при изготовлении сверхпроводника наряду с обычным железом (56Fe, в таблице оно обозначено как nFe) двух его других стабильных изотопов: 54Fe и 57Fe. предположим, набор S2, как видно из таблицы, представляет собой два одинаково приготовленных поликристалла Ba1–xKxFe2As2, в состав которых входят изотопы железа-54 и 57 соответственно.

Таблица 2. Критическая температура, сдвиг критической температуры и показатель степени в изотопическом эффекте по железу в зависимости от изотопа Fe, входящего в состав сверхпроводящих поликристаллов Ba1–xKxFe2As2

Из полученных данных (см. таблицу 2) ученые рассчитали показатель степени α и обнаружили, что, во-первых, он отличается от нуля и в среднем равен –0,18. Во-вторых, и это самое необычное, он имеет отрицательный герб, то есть чем тяжелее ион железа, входящий в сверхпроводник, тем выше критическая температура. В подавляющем большинстве сверхпроводники, если и обладают изотоп-эффектом, то для них α — положительное число.

Возникающее противоречие с результатами предыдущей работы по изотоп-эффекту (см. выше) авторы статьи объясняют несовершенством изготовления поликристаллов Ba1–xKxFe2As2, делая упор на возможную неточность в допировании исследуемого вещества атомами калия.

Какие выводы делают из своей работы японские экспериментаторы? Ненулевое значение α указывает на то, что фононы нельзя скидывать со счетов в теории сверхпроводимости «железных» ВТСП. Однако отрицательная величина α говорит о том, что механизм электрон-фононного взаимодействия, возможно, более трудный, чем описываемый в теории БКШ. На основании того, что α в среднем равно –0,18, а не 0,5, авторы статьи делают следующее догадка. По их мнению, в железосодержащих ВТСП реализуется экзотический механизм объединения куперовских пар: смесь «более сложного» электрон-фононного и обменного взаимодействий. В одной из прошлых новостей «Элементы» уже писали вероятном обменном механизме формирования пар электронов. Поэтому лишь напомним, что обменное взаимодействие частиц представляет собой квантовый (связанный с принципом запрета Паули) аналог электростатического взаимодействия.

Таким образом, если теоретикам удастся объяснить такой аномальный изотоп-эффект в «железных» ВТСП в рамках высказанной авторами обсуждаемой статьи гипотезы о смешанном взаимодействии электронов, то не исключено, что природа высокотемпературной сверхпроводимости может проясниться не только для данного класса сверхпроводников.

Источник: Parasharam M. Shirage, Kunihiro Kihou, Kiichi Miyazawa, Chul-Ho Lee, Hijiri Kito, Hiroshi Eisaki, Takashi Yanagisawa, Yasumoto Tanaka, Akira Iyo. Inverse Iron Isotope Effect on the Transition Temperature of the (Ba,K)Fe2As2 Superconductor // Phys. Rev. Lett. 103, 257003 (2009).

Список литературы

Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://www.informbase.com.ua


 

Анекдот 
Уpок... Маpь Иванна пишет на доске.
Вдpуг pаздается стук в двеpь и появляется Вовочка.
(МИ) - Сидоpов! Опять опоздал! Что случилось?
(В) - Да я, Маpь Иванна, каpтошку жаpил.
(МИ) - Hу ладно, садись...
Только писать начала, опять стук и заходит Танечка.
(МИ) - Та-аак, а ты, Каpтошкина, где была?
показать все
    Профессиональная разработка и поддержка сайтов Rambler's Top100