Сверхпроводники

Кроме того, оказалось, что имеет место аномально большой (величиной Q» (0.45p ;0)) перенос спектрального веса от одного импульса к другому. По мнению авторов, этот эффект может быть связан с "полосками" (stripes), то есть с микроскопическими неоднородностями распределения заряда в ВТСП.

Z.-X.Shen et al., Science, 1998, 280, 259

Примеси в слоях CuO2 и между ними
Исследование влияния различных типов примесей на свойства ВТСП YBa2Cu4O8 выполнено в работе новозеландских ученых из New Zealand Institute for Industrial Research [1]. Они показали, что частичное замещение Y на Ca и Ba на La практически не влияет на Tc, тогда как замещение Cu на Zn или Ni приводит к быстрой деградации сверхпроводимости. Полученные результаты полностью согласуются с двумерной картиной, согласно которой высокотемпературная сверхпроводимость обусловлена спариванием в слоях CuO2. Если целостность последних нарушается (как при замещении атомов меди), то Tc падает. Если же атомный беспорядок возникает за пределами этих слоев (как при замещении атомов иттрия и бария), то Tc не меняется. Полученные результаты говорят еще и о слабой роли взаимодействия между слоями CuO2 для сверхпроводимости ВТСП.

И тем не менее, это межслоевое взаимодействие все же надо учитывать. Эксперименты по замещению Bi ® Bi0.6Pb0.4 (атомы свинца располагаются вне слоев CuO2) в монокристаллах ВТСП Bi2Sr2CaCu2O8, проведенные в University of Kentucky, США [2], свидетельствуют, что Tc при таком замещении уменьшается весьма прилично - на ~20К (хотя сверхпроводящая щель остается неизменной!). Значит, межплоскостное взаимодействие, которое нарушают атомы свинца при таком замещении, все же оказывает определенное влияние на высокотемпературную сверхпроводимость.

G.V.M.Williams and J.L.Tallon,
Phys. Rev. B 1998, 57, 10984

J.Kane, Physica C 1998, 294, 176

ВТСП провода прошли первый километр
В отделении Cables and Component фирмы Alcatel изготовлены ВТСП проводники прямоугольного сечения (конструкция запатентована фирмой) на основе Bi-2212 и Bi-2223 длиной 1000м и 400м соответственно. Проводники изготовлены на заводе фирмы (Jeumont, Франция) по технологии "порошок-в трубе". Alcatel, работающая совместно с немецкой фирмой Hoechst AG, использовала прекурсоры собственного производства. Фирма заявляет, что ее производственные мощности достаточны для производства до 150км проводников в год. Критическая плотность тока достигает 20кА/см2 (77К, Bi-2223) и 60кА/см2 (4.2К, Bi-2212). Alcatel готовится изготовить из произведенных проводников ВТСП соленоид и плоский магнит с полем в несколько тесла.

В процессе "порошок-в-трубе" наиболее дорогой компонент - серебряная трубка. По оценкам специалистов Texas Center for Superconductivity, стоимость Bi-проводника в серебряной трубке составляет 19.2долл./кА-метр, в то время как стоимость аналога в никелевой трубке - только 0.12долл./кА-метр. По этой причине техасский центр сосредоточился на технологии Bi-2212 покрытий на Ni подложке. Усилия - не бесплодны: на сегодня достигнута плотность критического тока 5? 105А/см2 (4.2К, собственное поле) и 3? 105А/см2 (4.2К, 8Т). Эти результаты близки к лучшим полученным методом "порошок-в-трубе" с серебряной трубкой. Для своих покрытий техасцы используют двухступенчатый процесс "распыление/прессование" (two step spray/press), значительно более производительный и дешевый в сравнении с процессом "порошок-в-трубе". Процесс состоит в распылении слоя BSCCO/спирт на Ni подложку, сушке, первому прессованию и прокатке, текстурированию в атмосфере O2/Ar. Для усиления адгезии никелевая подложка предварительно покрывалась слоем Ag-Pd толщиной 200нм. Контроль методом рентгеновской дифракции выявляет чистую Bi-2212 фазу (Тс в диапазоне 66-77К) с хорошо ориентированными зернами вдоль c-оси. Некоторая модификация процесса позволяет также осаждать Bi-2223 фазу. Тестируются также и другие дешевые магнитные и немагнитные подложки.

О разработке длинных ВТСП лент сообщает MM Cables, отделение фирмы Metal Manufactures Limited (Австралия). MM Cables может производить ленты системы Bi-2223 непрерывной длиной до 1000м. Она является одной из 5-ти фирм в мире, способных это делать. Фирма поставляет ВТСП кабель и небольшие изделия из него в страны азиатско-тихоокеанского региона. Успех явился результатом интенсивных исследований объединенной группы сотрудников MM Cables, the University of Wollongong, and the CSIRO Division of Telecommunications and Industrial Physics. Ленты, состоящие из 37 Bi-2223 жил в Ag оболочке, изготовлены методом порошок-в-трубе. Критический ток, измеренный при 77К в собственном магнитном поле по критерию 1мкВ/см, составил 8000A/см2. MM Cables разрабатывает также целую серию ВТСП проводов и лент, оптимизированных для различных применений. Стандартная продукция включает ленты, содержащие до 61 жилы в чисто серебряной оболочке или в оболочке на основе сплава серебра, с критическим током до 20000А/см2 (77К). По требованию заказчика все проводники могут быть покрыты непрерывным изолирующим слоем. MM Cables на основе ВТСП лент изготавливает различные небольшие устройства, в том числе ВТСП магниты с диаметром отверстия 50мм, генерирующие поле 0.5Тл (4.2К) во внешнем поле до 5Тл. Фирма поставляет также ВТСП провода различных конфигураций, включающих твистированные провода с уменьшенными потерями на переменном токе, круглые и ленточные конструкции, круглые провода, характеристики которых не зависят от ориентации внешнего магнитного поля, токовводы. Технология и конструкция ВТСП изделий фирмы защищена патентами.

Nordic Superconductor Technologies (NST, Дания) изготавливает методом “порошок-в-трубе” ВТСП (BSCCO-2223) ленту длиной 1230м и критической плотностью тока 23.3кА/см2. Фирма производит ВТСП ленты большой длины в серебряной оболочке и в оболочках из сплава серебра, упрочненного окислением, и из Ag-Au сплава. NST была учреждена в 1997 году именно с целью разработки, производства и продажи ВТСП лент.

Уникальный ВТСП кабель c очень низкими потерями на переменном токе разработали совместно две японские фирмы - Chubu Electric Power Co. и Fujikura. Кабель состоит из транспонированного сегментного проводника BSCCO в серебряной оболочке, спирально намотанного вокруг трубки-канала для хладоагента. Проводник покрыт хорошо проводящим изоляционным слоем на основе гибридных полимеров. Каждый проводник состоит из 5 ВТСП лент с изолированными поверхностями. Технология легко трансформируется для производства кабеля на основе YBCO.

ВТСП токовводы уже пошли в дело

Специалисты Tohoku Univ. и CREST (Япония) установили ВТСП токовводы на сверхпроводящий (Nb3Sn) магнит с 52мм теплым отверстием и полем 15.1Tл. Длина Bi2Sr2Ca2Cu3O10+d токовводов – 180мм, внешний диаметр 23мм, внутренний диаметр – 20мм . Токоввод пропускает критический ток до 1000А при 77К в отсутствии магнитного поля.

Годовщина первого ВТСП магнита
В 1997г. на ускорителе ван-де-Граафа (The Institute for Geological and Nuclear Sciences, Wellington, Новая Зеландия) установлен ВТСП магнит для переключения ионного луча. В создании и установке магнита принимали участие американская фирма American Superconductor Corp., Alphatech International (Auckland, Новая Зеландия), ISYS (Palo Alto, США) и The Institute for Industrial Research (Wellington, Новая Зеландия). Установка сверхпроводящего магнита позволяла увеличить прохождение ионного луча без увеличения мощности питания или установки тяжелого ферромагнитного сердечника в обычном магните. Магнит состоит из двух рэйстрековых катушек из проводов Bi-2223, генерирующих однородное поле 0.72Тл и помещенных между двумя ферромагнитными полюсами (410? 700мм2). Две 100А ВТСП катушки имеют рабочую температуру 50К и охлаждаются однокаскадным рефрижератором Джифорда-МакМагона. В течение первого года работы магнит находился безаварийно в рабочем состоянии в течение 9600 часов и выдержал 15 термоциклов без выхода из строя. Сотрудники, работающие на ускорителе, утверждают, что установка ВТСП магнита привела к значительному улучшению характеристик ионного луча за счет увеличения апертуры магнита и однородности поля. Сотрудник одного из разработчиков магнита - The Institute for Industrial Research, сообщает, что за прошедший год со дня установки магнита критические параметры ВТСП проводников были улучшены в 2 раза для длинных проводников и в 3 раза - для коротких кусков.

STI получила заказ на изготовление 16 систем ВТСП фильтров для сотовых станций
Superconductor Technologies, Inc (STI) получила заказ от провайдерской службы сотовой связи на изготовление 16-ти систем фильтров – SuperFilterTM. Это – самый большой заказ в мире на производство сверхпроводящих устройств для систем связи за всю историю. В течение II квартала 1998г. фирма уже провела с блестящими результатами испытания 14 систем фильтров в 12-ти провайдерских службах. Испытания показали, что применение системы SuperFilter увеличивает на 100% пропускную способность телефонного канала. Ожидая роста заказов, STI запускает новые производственные мощности для выпуска SuperFilter – помещение площадью 1800м2. Сейчас фирма может выпускать одну систему в день, а к концу года увеличит производительность до 3 систем в день. Производственный цикл включает осаждение ВТСП пленок, изготовление микросхем, сборку и упаковку схем, изготовление дьюаров, сборку рефрижераторов (cryocooler), сборку и испытание всей системы.

Другой производитель ВТСП систем для базовых станций сотовой связи - Conductus, Inc , получил заказы на свою продукцию ClearSiteTM для провайдера Booz-Allen & Hamilton. ClearSiteTM комбинирует лучшие качества ВТСП фильтров и криогенных малошумящих выпрямителей. Система была успешно испытана в полевых условиях.

Потенциал парного взаимодействия вихрей в сверхпроводнике второго рода. Прямое измерение
Магнитные вихри в сверхпроводниках второго рода привлекают к себе внимание со времени предсказания их существования Абрикосовым. Именно свойства коллектива магнитных вихрей определяют такие важные характеристики сверхпроводников как критический ток и верхнее критическое поле. Эти свойства, в свою очередь, обусловлены двумя факторами: 1) взаимодействием вихрей друг с другом и 2) взаимодействием вихрей с центрами пиннинга, образующимися вследствие нарушения идеальной периодичности кристаллической решетки сверхпроводника. Микроскопические механизмы, ответственные за упомянутые два взаимодействия, активно исследовались теоретиками. Что же касается эксперимента, то до недавнего времени физики могли судить об этих взаимодействиях лишь косвенно, анализируя поведение магнитного потока в сверхпроводниках.

Разработка методики наблюдения магнитных вихрей "в реальном времени" с помощью лоренцевской микроскопии [1,2] в принципе делает возможными прямые измерения как потенциала пиннинга, так и потенциала взаимодействия вихрей между собой. Лоренцевская микроскопия основана на отклонении электронного луча просвечивающего электронного микроскопа магнитным полем, что позволяет наблюдать в сверхпроводнике отдельные вихри и отслеживать их движение.

Впервые эта методика применена к исследованию магнитных вихрей в работе [3] коллектива американских (University of Chicago, Argonne National Laboratory) и японских (Hitachi Ltd.) физиков. Была изучена тонкая пленка ниобия толщиной 100нм и средним размером зерен около 300мкм. Образец помещали на подставку электронного микроскопа и охлаждали в отсутствие поля до T =4.5K<Tc» 9K. После этого включали поле, перпендикулярная пленке компонента которого равнялась 56.6Гс. При этом средняя концентрация вихрей составляла r 0=(2.6 ± 0.1)мкм-2. Движение вихрей фиксировали на видеоленте с частотой 30кадров/с, после чего отснятый "фильм" оцифровывали и обрабатывали на компьютере. Характерная скорость движения вихрей составляла около 0.1мкм/с, а средний по времени градиент концентрации вихрей в направлении их движения - (2± 1)? 10-3r 0мкм-1. Параметр ориентационного порядка (равный единице в идеальной треугольной решетке) был определен путем усреднения по времени и по области наблюдения; он составил 0.41± 0.03. Нарушение идеальности вихревой решетки связано, очевидно, с наличием в пленке хаотически распределенных центров пиннинга, притягивающих вихри к себе. Однако ни один из вихрей не оставался "запиннингованным" в течение всего времени наблюдения (33с). Это обусловлено достаточно большой величиной силы Лоренца, "распределяющей" вихри между центрами пиннинга.

Найдя (путем компьютерной обработки полученных результатов) среднюю по времени концентрацию вихрей r (r) как функцию координаты r, авторы [3] смогли построить "карту потенциала пиннинга". При этом был использован тот простой факт, что вероятность обнаружить вихрь в окрестности точки r пропорциональна exp(-V(r)/U0), где V(r) - потенциал пиннинга в этой точке, а U0 - характерная энергия (при низких температурах последняя определяется не тепловой энергией kBT, а функцией V(r)).

Сложнее было найти парный потенциал межвихревого взаимодействия U(r). Однако и эта задача была решена, что стало возможным путем расчета (на основании экспериментальных данных) парной корреляционной функции, пропорциональной интегралу по dx от произведения r (x-r,t)? r (x,t), и последующего усреднения этой функции по времени наблюдения. В результате была найдена зависимость U(r) при 0.3мкм<r<1.8мкм. Она достаточно хорошо совпала с известным лондоновским потенциалом U(r)~K0(r/l ), где K0 - функция Макдональда, l - глубина проникновения магнитного поля в сверхпроводник. Наилучшее соответствие достигается при выборе l =(39.1± 0.7)нм, что неплохо согласуется с табличным значением l =(45± 1)нм при T=4.5K. К числу не совсем понятных особенностей экспериментальной функции U(r) следует отнести небольшой минимум U при r=0.7мкм. Авторы [3] полагают, что он обусловлен систематическими ошибками, которые могут быть существенно уменьшены путем увеличения времени наблюдения за движущимися вихрями.

Основной целью статьи [3], как отмечают ее авторы, была верификация новой методики на хорошо изученном материале (ниобии). Дееспособность этой методики подтверждена, что делает ее перспективной для исследования свойств других, пока еще недостаточно хорошо изученных сверхпроводников, в том числе слоистых ВТСП. Например, представляется исключительно интересным проверить теоретическое предположение [4,5] о ван-дер-ваальсовском характере взаимодействия вихрей в NbSe2 и Bi2Sr2CaCu2O8.

K. Harada et al., Science 274 (1996) 1167

T. Matsuda et al., Science 271 (1996) 1393

C.-H. Sow et al., Phys. Rev. Lett. 80 (1998) 2693

G. Blatter and V. Geshkenbein, Phys. Rev. Lett. 77 (1996) 4958

S. Mukherji and T. Nattermann, Phys. Rev. Lett. 79 (1997) 139

Ферми-поверхность Sr2RuO4: эффект де Гааз-ван Альфена против фотоэмиссии с угловым разрешением
Открытое недавно соединение Sr2RuO4 замечательно тем, что является пока единственным примером слоистого перовскита, не содержащего меди, в котором обнаружена сверхпроводимость. Это соединение относится к классу т.н. “самодопированных” проводников благодаря низкому значению параметра U/W (U - энергия кулоновского отталкивания на узле, W - ширина зоны), т.е. роль электронных корреляций здесь не столь важна, как, например, в купратах. Относительно небольшое значение температуры СП перехода (~1К) предопределило успешное применение гальваномагнитных (ГМ) методов для исследования поверхности Ферми в нормальном состоянии. Как известно, в купратах использовать эффект де Гааз-ван Альфена напрямую не удается из-за высоких значений Тс и Нс2, а эксперименты в смешанном состоянии существенно усложняют интерпретацию экспериментальных данных. Использование гальваномагнитных методов привлекательно по той причине, что в этом случае удается восстановить поверхность Ферми во всей зоне Бриллюэна и провести сравнение с соответствующими данными по фотоэмиссии. В отличие от принципиально поверхностного метода фотоэлектронной спектроскопии (ФЭС, глубина выхода фотоэлектронов не превышает 10-20A, т.е. меньше размера элементарной ячейки вдоль оси с), ГМ методы - существенно объемные. В связи с огромным количеством информации о деталях ферми-поверхности купратов, полученной с помощью ФЭС с угловым разрешением (ФЭСУР), и отсутствием альтернативных методов исследования ферми-поверхности ВТСП, такое сравнение представляет несомненный интерес, поскольку дает представление о надежности информации об объемной электронной структуре вещества, полученной с помощью поверхностного метода исследования.

Сразу после открытия Sr2RuO4 [1] были проделаны расчеты зонной структуры [2-4] и восстановлена ферми-поверхность с помощью ФЭСУР [5,6]. При этом оказалось, что имеются серьезные расхождения между теорией и экспериментом, что казалось довольно странным, учитывая слабость корреляционных эффектов и, как следствие, гораздо большее доверие к зонным расчетам. Это противоречие так и “висело в воздухе” до обнаружения ГМ осцилляций в Sr2RuO4 [7,8] – надежного и проверенного способа исследования ферми-поверхности. Результаты ГМ экспериментов позволили идентифицировать все листы ферми-поверхности – два электронных кармана вокруг центра зоны (Г) и один дырочный карман вокруг границы зоны (Х). В то же время, согласно ФЭСУР, ферми-поверхность Sr2RuO4 состоит из одного электронного листа и двух дырочных. Результаты ГМ исследований снимают большое количество противоречий, порожденных ФЭС исследованиями. Ферми-поверхность, восстановленная из ГМ осцилляций, дает точное число электронов (4) на атом Ru; позволяет с точностью до деталей описать экспериментальную температурную зависимость эффекта Холла; очень хорошо совпадает с результатами зонных расчетов. Совершенно очевидно, что имеются серьезные проблемы с восстановлением электронной зонной структуры из ФЭС, по крайней мере для рутенатов. Эти проблемы могут быть связаны как с экстремальной поверхностной чувствительностью метода, так и с многочисленными предположениями, заложенными в анализ экспериментальных данных. ФЭСУР эксперименты дают весьма похожие результаты, касающиеся, например, “extended van Hove singularity” для купратов и рутенатов, поэтому описанные выше проблемы ФЭС могут быть серьезным “звонком” для тех, кто делает далеко идущие выводы, полагаясь исключительно на данные фотоэмиссии.

Y.Maeno et al. Nature 372 (1994) 532

A.P.Mackenzie et al. Phys. Rev. Lett. 76 (1996) 3786

T.Oguchi Phys. Rev. B 51 (1995) 1385

D.J.Singh Phys. Rev. B 52 (1995) 1358

T.Yokoya et al. Phys. Rev. Lett. 76 (1996) 3009

D.H.Lou et al. Phys. Rev.Lett. 76 (1996) 4845

A.P.Mackenzie et al. Phys.Rev.Lett. 78 (1997) 2271

A.P.Mackenzie et al J.of Phys.Soc.Jap. 67 (1998) 385

О возможности высокотемпературной поверхностной сверхпроводимости в бериллии
Известно, что на поверхности (0001) бериллия плотность электронных состояний на уровне Ферми N(EF) примерно в четыре раза больше, чем в объеме [1,2]. Величина N(EF) является важной характеристикой, определяющей многие электронные свойства. В частности, электрон-фононное взаимодействие тем сильнее, чем больше N(EF): согласно простейшей модели, безразмерная константа электрон-фононного взаимодействия l прямо пропорциональна N(EF).

Исследования поверхности Be(0001), выполненные в Brandeis University и Brookhaven National Laboratory [3] методом фотоэмиссии с угловым разрешением, показали, что поверхностная величина l составляет 1.15 ± 0.1 - примерно в пять раз больше, чем значение l = 0.24 в объеме [4]. Поскольку критическая температура массивных образцов бериллия составляет Tc = 0.026К [5], то из классической формулы БКШ Tc ~ exp(-1/l ) следует, что на поверхности Be(0001) может реализоваться высокотемпературная сверхпроводимость с Tc » 70К. Конечно, на величину Tc (особенно в квазидвумерных системах) влияет и множество других факторов, поэтому действительность может не оправдать ожидания. Но ведь может и превзойти!

1. E.V.Chulkov et al., Surf. Sci. 188 (1987) 287.
2. P.J.Feibelman and R.Stumpf, Phys. Rev. B 50 (1994) 17480.
3. T.Balasubramanian et al., Phys. Rev. B 57 (1998) 6866.
4. G.Grimvall, The Electron-Phonon Interaction in Metals, 1981.
5. R.L.Falge, Jr., Phys. Lett. A 24 (1967) 579.

Наблюдение псевдощели внутри коров магнитных вихрей в Bi2Sr2CaCu2O8+d
Говоря о природе сверхпроводимости ВТСП, с уверенностью можно утверждать лишь то, что сверхпроводящее состояние ВТСП “построено” из состояний спаренных электронов, а также что это состояние является сильно анизотропным (по-видимому, симметрия сверхпроводящего состояния, по крайней мере, в некоторых ВТСП, является d-волновой, хотя здесь остаются некоторые сомнения). Механизм высокотемпературной сверхпроводимости все еще не выяснен.

Основным признаком “классических” БКШ-сверхпроводников является характер их возбужденного состояния: оно представляет собой квазичастицы, образующиеся при разрыве куперовских пар. Поэтому при нагревании выше критической температуры Tc пары исчезают одновременно с когерентным сверхпроводящим состоянием. Это происходит в силу того, что размер одной пары (длина когерентности x ) много больше среднего расстояния между парами. А длина когерентности, в свою очередь, велика по причине малости энергии связи электронов в каждой паре D , поскольку x ~ 1/D . В ВТСП величина D значительно (примерно на порядок) больше, чем в низкотемпературных сверхпроводниках, поэтому длина когерентности сравнима с расстоянием между электронными парами, или даже меньше его. Поэтому возникает вопрос: а не могут ли пары существовать не только ниже, но и выше Tc, либо в виде флуктуаций, либо как некоррелированные двухчастичные формирования? Экспериментальное наблюдение в ВТСП при T > Tc так называемой “псевдощели” конкретизирует этот вопрос: связано ли наличие псевдощели с “предсуществующими” парами, или же псевдощель имеет другую физическую природу?

Совершенно новый подход к исследованию псевдощели предложен в работе швейцарских (Univ. de Geneve) и японских (Univ. Tsukuba) физиков. Они изучали характеристики магнитных вихрей в монокристаллах Bi2Sr2CaCu2O8+d методом сканирующей туннельной спектроскопии (СТС) при T=4.2К. Как известно, СТС “видит” локальную плотность квазичастичных состояний, в силу чего, собственно, и становится возможным наблюдение изолированных магнитных вихрей (плотность состояний различна вне вихря, то есть в сверхпроводящей области, и в его сердцевине - коре, то есть в локально несверхпроводящей области).

Что же показал эксперимент? В сердцевинах вихрей не было обнаружено квазичастичных состояний, зато зарегистрирована “щелевая структура”, причем последняя изменялась пропорционально истинной сверхпроводящей щели (были изучены монокристаллы с различным содержанием кислорода, то есть с различными Tc). Более того, исследование температурной зависимости псевдощели при T > Tc и “низкотемпературной щели” в корах магнитных вихрей показало, что последняя - это и есть та самая псевдощель, локально сохранившаяся вплоть до гелиевых температур в областях нормальной фазы. Наиболее правдоподобное объяснение полученным результатам, по мнению авторов, - это наличие в нормальном состоянии ВТСП (как во всем образце при T > Tc, так и лишь внутри магнитных вихрей при T < Tc) некоррелированных электронных пар вместо привычных квазичастиц.

Ch. Renner et al., Phys. Rev. Lett. 1998,80, 3606

Страницы: 1, 2, 3, 4