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Expertenmeinung: Hochtemperatursupraleitung

Im Vorgriff auf den großen Bericht über das Labor „Supraleitende Metamaterialien“ , den wir gemäß den Ergebnissen der allgemeinen Abstimmung vorbereiten , sprechen wir weiterhin über Supraleitung.
Vor einer Woche haben wir einen Artikel von Alexei Basharin über den nicht strahlenden „Anapol“ veröffentlicht. Danach begann eine echte wissenschaftliche Diskussion unter Beteiligung des Autors des Artikels. Der Artikel sammelte mehr als hundert Kommentare, es gingen viele Vorschläge zum Format des in der Publikation präsentierten Materials ein. Wir haben alle Wünsche berücksichtigt und den führenden Wissenschaftler K. B. gefragt . Efetova schreibt für uns eine Expertenmeinung im populärwissenschaftlichen Format zur HochtemperatursupraleitungFür die Entdeckung der Hochtemperatursupraleitung von Cupraten wurde vor etwa 30 Jahren der Nobelpreis verliehen.

Konstantin Borisovich Efetov ist wissenschaftlicher Leiter des Projekts „Kollektive Phänomene in der Quantenmaterie“ NUST „MISiS“ im Rahmen eines Stipendiums zur Unterstützung der wissenschaftlichen Forschung des TOP 5-100-Programms. K.B. Efetov ist ein herausragender Gutachter der American Physical Society, Direktor des Instituts für Theoretische Physik der Dritten Ruhr-Universität Bochum in Deutschland, Ehrenmitglied der American Physical Society , führender Forscher von drei vom Bundesministerium für wissenschaftliche Forschung finanzierten Projekten, Autor von mehr als 170 Publikationen und Gewinner des französischen Blaise-Pascal- Preisesgegründet von der französischen Regierung und dem Landau-Weizman-Forschungspreis, der vom Weizmann-Institut in Israel ins Leben gerufen wurde. Konstantin Efetov ist "ein hervorragender Rezensent der American Physical Society". Dieser Preis wird für seinen bemerkenswerten Beitrag zu von Experten begutachteten Artikeln in Zeitschriften wie Physical Review Letters, Physical Review, Reviews of Modern Physics und anderen vergeben.


Ein Magnet, der über einem mit flüssigem Stickstoff gekühlten Hochtemperatursupraleiter schwebt
Konstantin Borisovich Efetov
Wissenschaftlicher Leiter des Projekts „Kollektive Phänomene in der Quantenmaterie“ NUST „MISiS“
Supraleitung ist eines der schönsten Phänomene der Quantenphysik. Es wurde 1911 vom niederländischen Physiker Kamerlingh-Onnes entdeckt, der lernte, Materialien mit verflüssigtem Helium auf eine Temperatur von 1,5 K (-271,5 ° C) abzukühlen. Kammerling-Onnes untersuchte die elektrischen Eigenschaften gekühlter Metalle und stellte fest, dass der Widerstand von festem Quecksilber in flüssigem Helium verschwindet und daher die Leitfähigkeit unendlich wird. Diese Eigenschaft wurde Supraleitung genannt, und Kammerling-Onnes erhielt 1913 den Nobelpreis.

Die Supraleitung wurde später in vielen Metallen entdeckt, aber die mikroskopische Theorie dieses mysteriösen Phänomens wurde erst 1957 von den amerikanischen Physikern Bardin, Cooper und Schriffer (Bardeen, Cooper, Schrieffer) aufgestellt, die 1972 den Nobelpreis für diese Arbeit erhielten.

Erwähnenswert ist, dass die sowjetischen Physiker Ginzburg und Landau 1950 die korrekte phänomenologische Theorie der Supraleitung vorgeschlagen haben. Interessante Phänomene bei Supraleitern wurden von Alexei Abrikosov anhand der Ginzburg-Landau-Theorie vorhergesagt. Alle drei sind auch Nobelpreisträger. Es ist wichtig anzumerken, dass Abrikosov viele Jahre lang Leiter der Abteilung für Theoretische Physik am MISiS war. Jetzt heißt diese Abteilung "Abteilung für Theoretische Physik und Quantentechnologien", wo ich unter dem Projekt "Top5-100" arbeite.

Die Tatsache, dass die Erklärung der Supraleitung 46 Jahre gedauert hat, ist kein Zufall. Dieses Phänomen wurde bereits vor der Entstehung der Quantenmechanik entdeckt und konnte auf der Grundlage der klassischen Newtonschen Mechanik und der klassischen Maxwell-Elektrodynamik in keiner Weise erklärt werden. Die Theorie der Supraleitung basiert auf dem Konzept der Bose-Einstein-Kondensation. Nach diesem Konzept müssen Teilchen mit einem ganzzahligen Quantenspin (Bosonen) einen Zustand bilden, in dem alle Teilchen kohärent sind (Kondensat) oder sich im gesamten Volumen des Systems gegenseitig fühlen. Die Bewegung dieses Kondensats als Ganzes führt dazu, dass es nicht durch verschiedene Verunreinigungen oder Inhomogenitäten im Metall gehemmt wird, was zu einem Widerstand von Null führt.

Es scheint, dass dies die Erklärung der Supraleitung ist? Aber das ist nicht so.


Elektrischer Strom in Metallen entsteht durch die Bewegung von Elektronen, und dies sind Elementarteilchen mit einem Spin von einer Sekunde. Partikel mit einem halbzahligen Spin (Fermionen) bilden jedoch kein Kondensat, und es gibt keine anderen sich bewegenden Partikel in Metallen. Wie kann Kondensat erhalten werden? Es stellt sich heraus, dass zwei Elektronen mit entgegengesetzten Spins Paare bilden können, die insgesamt keinen Spin haben, und diese Paare sind bereits Bosonen und können ein Bose-Kondensat bilden. Solche Elektronenpaare werden Cooper-Paare genannt (Cooper, einer der Begründer der Supraleitungstheorie, hat sie erfunden), und ihre Kondensation führt zum Phänomen der Supraleitung. Aber das ist nicht alles. Es ist leicht vorstellbar, dass für die Paarung von Elektronen ihre gegenseitige Anziehung notwendig ist. Aus der klassischen Elektrodynamik ist jedoch bekannt, dass zwei gleich geladene Teilchen abstoßen.nicht angezogen.

Es gab einen Ausweg aus diesem Widerspruch. Es stellt sich heraus, dass die Anziehung zwischen Elektronen durch den Austausch von Phononen erfolgen kann - Quantenschwingungen des Gitters von Metallatomen, und diese Tatsache hat es bereits ermöglicht, die Konstruktion der Theorie der Supraleitung zu vervollständigen. Jetzt ist es leicht zu verstehen, warum zwischen der Entdeckung des Phänomens der Supraleitung und seiner Erklärung 46 Jahre vergangen sind. Jeder Schritt bei der Konstruktion einer Theorie war revolutionär, und es gab viele Schritte. Und all dies wurde getan, um das Phänomen zu erklären, das in einem kleinen Labor beobachtet werden kann. Dies erfordert keine leistungsstarken Beschleuniger oder Flüge in den Weltraum.

Stellen Sie sich nun vor, es wäre möglich, einen Draht aus supraleitendem Material herzustellen. In diesem Fall würde während der Übertragung in keiner Entfernung Energie verloren gehen, und warum nicht versuchen?


Leider gibt es in dieser Angelegenheit ein „Aber“: Wie bereits erwähnt, tritt die Supraleitung bei sehr niedrigen Temperaturen auf, ein solcher supraleitender Draht müsste mit flüssigem Helium gekühlt werden. Gleichzeitig erfordert die Kühlung von Helium selbst sehr hohe Energiekosten (und dementsprechend Geldkosten), und die Verwendung supraleitender Drähte wäre viel teurer als die Kosten für Energieverluste. Es ist leicht zu verstehen, dass erhebliche Anstrengungen bei der weiteren Untersuchung der Eigenschaften von Supraleitern unternommen wurden, um die Möglichkeit zu untersuchen, Supraleitung bei höheren Temperaturen zu erhalten. Idealerweise möchte ich natürlich eine Supraleitung bei "Raumtemperatur" von 300 K (27 C) erhalten. Supraleiter mit einer Übergangstemperatur über dem Stickstoffverflüssigungspunkt (77 K) wären jedoch sehr hilfreich.da die Herstellung von flüssigem Stickstoff viel billiger ist als die Herstellung von flüssigem Helium.

Zahlreiche Versuche, Supraleiter mit einer so hohen Temperatur zu erhalten, führten jedoch erst Mitte der achtziger Jahre zum Erfolg. Darüber hinaus wurden theoretische Schätzungen für Modelle gegeben, die auf dem Elektron-Phonon-Mechanismus der Elektronenpaarung basieren, Übergangstemperaturen von nicht mehr als 25 K, was für industrielle Anwendungen nicht ausreichte.

, 1986 , , 1987 . , , . «». . -, , .

Heute erreichen die Temperaturen supraleitender Übergänge in Cupraten 140 K (-137 ° C) . Es liegt immer noch deutlich unter Raumtemperatur, aber bereits deutlich über dem Siedepunkt von Stickstoff. Letzterer Umstand hat bereits zu praktischen Anwendungen von Hochtemperatursupraleitern geführt. Es gibt bereits Unternehmen, die Drähte herstellen, die mit herkömmlichen Metallen mit "Cuprate-Füllung" beschichtet sind.

Dennoch ist die Frage der Erzeugung von Supraleitern bei Raumtemperatur bislang ungelöst geblieben. Eine einfache Aufzählung verschiedener chemischer Verbindungen scheint kein vielversprechender Weg zu sein, um bei Raumtemperatur Supraleitung zu erhalten, da die Anzahl möglicher Verbindungen sehr groß ist. Es wäre viel vernünftiger, zunächst zu verstehen, warum die Übergangstemperatur in Cupraten so viel höher ist als die entsprechenden Temperaturen in „normalen“ Metallen.

Ist der Phononenaustausch der Hauptgrund für die Paarung von Elektronen in Cupraten, wie dies bei gewöhnlichen Metallen der Fall ist?


Um diese Frage zu beantworten, haben sich eine große Anzahl von Theoretikern und Experimentatoren verpflichtet, den Mechanismus der Bildung von Supraleitung in Cupraten zu untersuchen. Heute glauben die meisten Wissenschaftler, dass der Phononenmechanismus der Elektronenpaarung unwahrscheinlich ist. Die Zahl der bisher eingereichten Vorschläge ist groß und alle schwer aufzulisten. Natürlich versprechen sie alle die hohe Temperatur des supraleitenden Übergangs. Aber was muss getan werden, um einen einzigen Mechanismus zu wählen, der den Ursprung der Supraleitung eindeutig erklärt und dessen Wirkung bereits durch Überprüfung und Änderung chemischer Verbindungen verbessert werden könnte?

Natürlich könnte eine genaue Berechnung der Übergangstemperatur für jede der Cupratverbindungen und für alle vorgeschlagenen Mechanismen sowie ein weiterer Vergleich mit experimentellen Daten helfen, den „richtigen“ Mechanismus auszuwählen. Leider ist diese Methode der Anwendung von "Brute Force" praktisch unmöglich, da die Leistung der auf der Erde vorhandenen Computer nicht ausreicht.

Wie immer ist es besser, darüber nachzudenken, Theoretiker auf der ganzen Welt und insbesondere die Gruppe bei NUST MISiS, die ich leite. Die Grundidee ist, dass ein vernünftiges Modell für die Supraleitung nicht nur die Supraleitung, sondern auch eine Reihe anderer Phänomene bei Cupraten erklären sollte. Es gibt viele solcher Phänomene bei Cupraten. Beispielsweise wurde vor einigen Jahren das Vorhandensein einer Modulation einer elektronischen Ladung entdeckt. Daher sollte die korrekte Theorie auch dieses Phänomen erklären, wodurch die Anzahl der Kandidaten für die Rolle des Elektronenpaarungsmechanismus erheblich verringert wird. Wir arbeiten am Problem der Hochtemperatursupraleitung und beginnen mit einem Modell von Elektronen, die durch den Austausch von Magnetisierungsschwankungen interagieren. Diese Annahme kann durch die Tatsache gerechtfertigt werden, dass Cuprate, wenn sie mit Sauerstoffatomen dotiert sind, einen Antiferromagnet-Normal-Metallübergang durchlaufen.Supraleitung kann nur im metallischen Zustand auftreten, aber die Nähe zu einem Antiferromagneten macht die Annahme des Austauschs antiferromagnetischer Schwankungen sehr wahrscheinlich.
— - - (). AF- , SC- , PG – , , . K.B. Efetov, H. Meier, C. Pepin, Nat. Phys. 9, 442 (2013)

Mit dieser Annahme ist es uns bereits gelungen, einige wichtige Phänomene bei Cupraten zu erklären, aber wir müssen ständig neue experimentelle Daten verfolgen, die es uns ermöglichen, die erhaltenen theoretischen Ergebnisse zu korrigieren oder zu verfeinern. Es scheint uns, dass wir auf dem richtigen Weg sind, und unsere Arbeit wird dazu beitragen, die bei Cupraten beobachteten Phänomene zu bewältigen. Danach kann bereits überlegt werden, in welche Richtung gearbeitet werden soll, um die Übergangstemperatur zu erhöhen. Dank der engen Zusammenarbeit mit Forschern aus verschiedenen Ländern scheint diese Aufgabe nicht unlösbar.

Source: https://habr.com/ru/post/de384439/

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