Opinión de expertos: Superconductividad de alta temperatura
En previsión del gran informe sobre el laboratorio "Metamateriales superconductores" , que estamos preparando de acuerdo con los resultados de la votación general , seguimos hablando de la superconductividad.Hace una semana, publicamos un artículo de Alexei Basharin sobre el "anapole" no radiante , después del cual comenzó una verdadera discusión científica con la participación del autor del artículo. El artículo recolectó más de cien comentarios, se recibieron muchas propuestas con respecto al formato del material presentado en la publicación. Tomamos en cuenta todos los deseos y le preguntamos al destacado científico K. B. Efetova nos escribe una opinión experta en el popular formato científico sobre la superconductividad a alta temperatura, por el descubrimiento de la superconductividad a alta temperatura de los cupratos, el Premio Nobel fue otorgado hace unos 30 años.Konstantin Borisovich Efetov es el Director Científico del proyecto "Fenómenos colectivos en materia cuántica" NUST "MISiS" como parte de una subvención para apoyar la investigación en el programa TOP 5-100. K.B. Efetov es un destacado revisor de la American Physical Society, director del Instituto de Física Teórica de la Tercera Universidad Ruhr de Bochum en Alemania, miembro honorario de la American Physical Society , investigador líder de tres proyectos financiados por el Ministerio Alemán de Investigación Científica, autor de más de 170 publicaciones, ganador del Premio Francés Blaise Pascalestablecido por el gobierno francés y el Premio de Investigación Landau-Weizman, establecido por el Instituto Weizmann en Israel. Konstantin Efetov es "un revisor destacado de la American Physical Society". Este premio se otorga por su notable contribución a artículos revisados por pares en revistas como Physical Review Letters, Physical Review, Reviews of Modern Physics y otros.
Un imán que levita sobre un superconductor de alta temperatura enfriado por nitrógeno líquido
| Konstantin Borisovich Efetov
Director científico del proyecto "Fenómenos colectivos en materia cuántica" NUST "MISiS"
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La superconductividad es uno de los fenómenos más bellos de la física cuántica. Fue descubierto por el físico holandés Kamerlingh-Onnes en 1911, quien aprendió a enfriar materiales usando helio licuado a una temperatura de 1.5 K (-271.5 C). Al estudiar las propiedades eléctricas de los metales enfriados, Kammerling-Onnes descubrió que la resistencia del mercurio sólido sumergido en helio líquido se desvanece y, por lo tanto, la conductividad se vuelve infinita. Esta propiedad se llamó superconductividad, y Kammerling-Onnes recibió el Premio Nobel en 1913.La superconductividad se descubrió más tarde en muchos metales, pero la teoría microscópica de este misterioso fenómeno fue construida en 1957 por los físicos estadounidenses Bardin, Cooper y Schriffer (Bardeen, Cooper, Schrieffer), quienes recibieron el Premio Nobel por este trabajo en 1972.Vale la pena mencionar que la teoría fenomenológica correcta de la superconductividad fue propuesta por los físicos soviéticos Ginzburg y Landau en 1950. Se predijeron fenómenos interesantes en los superconductores utilizando la teoría de Ginzburg-Landau por Alexei Abrikosov, los tres también son ganadores del Premio Nobel. Es importante tener en cuenta que durante muchos años Abrikosov fue el jefe del Departamento de Física Teórica en MISiS. Ahora este departamento se llama "Departamento de Física Teórica y Tecnologías Cuánticas", donde trabajo en el marco del proyecto "Top5-100".
El hecho de que tomó 46 años explicar la superconductividad no es una coincidencia. Este fenómeno fue descubierto incluso antes de la creación de la mecánica cuántica y no pudo explicarse de ninguna manera sobre la base de la mecánica newtoniana clásica y la electrodinámica clásica de Maxwell. La teoría de la superconductividad se basa en el concepto de condensación de Bose-Einstein. Según este concepto, las partículas con un espín cuántico entero (bosones) deben formar un estado en el que todas las partículas sean coherentes (condensado) o, en otras palabras, se sientan entre sí en todo el volumen del sistema. El movimiento de este condensado en su conjunto lleva al hecho de que no es inhibido por varias impurezas o inhomogeneidades en el metal, lo que lleva a una resistencia cero.Parece que esta es la explicación de la superconductividad? Pero esto no es así.
La corriente eléctrica en los metales surge debido al movimiento de los electrones, y estas son partículas elementales con un giro de un segundo. Pero las partículas con un giro de medio entero (fermiones) no forman condensado, y no hay otras partículas en movimiento en los metales. ¿Cómo se puede obtener el condensado? Resulta que dos electrones con giros opuestos pueden formar pares que tienen un giro total cero, y estos pares ya son bosones y pueden formar un condensado Bose. Tales pares de electrones se llaman pares de Cooper (uno de los creadores de la teoría de la superconductividad de Cooper los inventó), y su condensación conduce al fenómeno de la superconductividad. Pero eso no es todo. Es fácil imaginar que para el emparejamiento de electrones, su atracción mutua es necesaria. Pero es bien sabido por la electrodinámica clásica que dos partículas igualmente cargadas repelen,no atraídoHabía una salida a esta contradicción. Resulta que la atracción entre electrones puede ocurrir a través del intercambio de fonones, vibraciones cuánticas de la red de átomos metálicos, y este hecho ya ha permitido completar la construcción de la teoría de la superconductividad. Ahora es fácil entender por qué han pasado 46 años entre el descubrimiento del fenómeno de la superconductividad y su explicación. Cada paso en la construcción de una teoría fue revolucionario, y hubo muchos pasos. Y todo esto se hizo para explicar el fenómeno, que se puede observar en un pequeño laboratorio, esto no requiere potentes aceleradores o vuelos al espacio.Ahora imagine que sería posible hacer un alambre de material superconductor. En este caso, la energía no se perdería durante la transmisión a ninguna distancia, y ¿por qué no intentarlo?
Desafortunadamente, hay un "pero" en este asunto: como ya hemos mencionado, la superconductividad surge a temperaturas muy bajas, un cable superconductor tendría que enfriarse con helio líquido. Al mismo tiempo, el enfriamiento del helio requiere costos muy altos de energía (y, en consecuencia, dinero), y el uso de cables superconductores sería mucho más costoso que el costo de las pérdidas de energía. Es fácil entender que se dedicaron considerables esfuerzos al estudio adicional de las propiedades de los superconductores para estudiar la posibilidad de obtener superconductividad a temperaturas más altas. Idealmente, por supuesto, me gustaría obtener una superconductividad a una temperatura "ambiente" de 300 K (27 C). Pero los superconductores con una temperatura de transición por encima del punto de licuefacción de nitrógeno (77 K) serían muy útiles,Dado que la producción de nitrógeno líquido es mucho más barata que la producción de helio líquido.Sin embargo, numerosos intentos de obtener superconductores con una temperatura tan alta no condujeron al éxito hasta mediados de los ochenta. Además, se proporcionaron estimaciones teóricas para los modelos basados en el mecanismo electrón-fonón del emparejamiento de electrones, las temperaturas de transición no superaron los 25 K, lo que no fue suficiente para aplicaciones industriales., 1986 , , 1987 . , , . «». . -, , .
Hoy, las temperaturas de las transiciones superconductoras en cupratos alcanzan 140 K (-137 C) . Todavía está muy por debajo de la temperatura ambiente, pero ya está muy por encima del punto de ebullición del nitrógeno. La última circunstancia ya ha llevado a aplicaciones prácticas de superconductores de alta temperatura. Ya hay empresas que producen alambres recubiertos con metales convencionales con "relleno de cuprato".Sin embargo, la cuestión de crear superconductores a temperatura ambiente ha quedado sin resolver hasta ahora. Una simple enumeración de varios compuestos químicos no parece una forma prometedora de obtener superconductividad a temperatura ambiente, ya que la cantidad de compuestos posibles es enorme. Sería mucho más razonable entender primero por qué la temperatura de transición en cupratos es mucho más alta que las temperaturas correspondientes en metales "ordinarios".¿Es el intercambio de fonones la razón principal para el emparejamiento de electrones en cupratos, como es el caso de los metales comunes?
Para responder a esta pregunta, un gran número de teóricos y experimentadores se comprometieron a estudiar el mecanismo de la formación de superconductividad en cupratos. Hoy, la mayoría de los científicos creen que el mecanismo de fonón del emparejamiento de electrones es poco probable. El número de propuestas presentadas hasta la fecha es grande y todas son difíciles de enumerar. Naturalmente, todos prometen la alta temperatura de la transición superconductora. Pero, ¿qué debe hacerse para elegir un mecanismo único que explique sin ambigüedades el origen de la superconductividad, y cuya acción ya podría mejorarse mediante la verificación y el cambio de compuestos químicos?Por supuesto, un cálculo preciso de la temperatura de transición para cada uno de los compuestos de cuprato y para todos los mecanismos propuestos, y una mayor comparación con los datos experimentales, podría ayudar a elegir el mecanismo "correcto". Desafortunadamente, este método de usar la "fuerza bruta" es prácticamente imposible, ya que no tiene suficiente potencia de las computadoras existentes en la Tierra.Como siempre, es mejor pensarlo, los teóricos de todo el mundo y, en particular, el grupo de NUST "MISiS", que yo dirijo. La idea básica es que un modelo razonable para la superconductividad debería explicar no solo la superconductividad, sino también otros fenómenos en los cupratos. Hay muchos de estos fenómenos en los cupratos. Por ejemplo, hace varios años, se descubrió la existencia de modulación de una carga electrónica. Por lo tanto, la teoría correcta también debería explicar este fenómeno, que reduce significativamente el número de candidatos para el papel del mecanismo de emparejamiento de electrones. Trabajando en el problema de la superconductividad a alta temperatura, comenzamos con un modelo de electrones que interactúan a través del intercambio de fluctuaciones de magnetización. Esta suposición puede justificarse por el hecho de que los cupratos, cuando se dopan con átomos de oxígeno, experimentan una transición de metal antiferromagnético normal.La superconductividad solo puede aparecer en el estado metálico, pero la proximidad a un antiferromagnético hace que la suposición del intercambio de fluctuaciones antiferromagnéticas sea bastante probable.
— - - (). AF- , SC- , PG – , , . K.B. Efetov, H. Meier, C. Pepin, Nat. Phys. 9, 442 (2013)
Usando esta suposición, ya hemos logrado explicar varios fenómenos importantes en los cupratos, pero todo el tiempo tenemos que hacer un seguimiento de los nuevos datos experimentales que nos permiten corregir o refinar los resultados teóricos obtenidos. Nos parece que estamos en el camino correcto, y nuestro trabajo ayudará a lidiar con los fenómenos observados en los cupratos. Después de eso, ya será posible pensar en qué dirección trabajar para aumentar la temperatura de transición. Gracias a la estrecha cooperación con investigadores de diferentes países, esta tarea no parece insoluble. Source: https://habr.com/ru/post/es384439/
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