Новый безмедный сверхпроводник K-Bi-O
Хорошо известно семейство сверхпроводящих соединений BaBi(Pb)O3. Все эти сверхпроводники являются "четверными": Ba-Pb-Bi-O или Ba-K-Bi-O. В Японии (ISTEC, Токио) путем синтеза при высоком давлении впервые получили тройной сверхпроводник K1-xBi1+xO3 [N.R.Khasanova et al., Physica C 305 (1998) 275]. Величина Tc составляет около 10К при 0? x? 0.1 и почти не зависит от x в этом диапазоне, а увеличение x>0.1 ведет к потере сверхпроводимости. По данным рентгеновской и электронной дифракции кристаллическая структура представляет собой кубический перовскит.
Ревизия симметрии параметра порядка в "электронных" ВТСП
Большинство (хотя и не все) экспериментальных данных говорит о том, что в ВТСП с дырочным типом проводимости параметр сверхпроводящего порядка D имеет d-волновую симметрию. Таких ВТСП подавляющее большинство (YBa2Cu3O7,
La2-xSrxCuO4, Bi2Sr2CaCu2O8 и т.д.). Что касается немногочисленных известных на сегодня ВТСП с электронным типом проводимости, наиболее изученным из которых является Nd2-xCexCuO4, то долгое время считалось, что в них D имеет s-волновую симметрию.
Группа японских физиков из Nagoya University, Tohoku University и Japan Science and Technology Corporation выполнила исследования квазичастичных спектров возбуждений в монокристаллах
Nd2-xCexCuO4 методом STM/STS [1]. Полученные результаты показали, что D не только анизотропен в импульсном пространстве, но и имеет
d-волновую симметрию. Авторы [1] обсуждают, тип этой симметрии – dxy-волна или dx2-y2-волна – и склоняются в пользу последней.
[1] F.Hayashi et al., J. Phys. Soc. Jap., 1998, 67, p.3234
Сверхпроводимость Tl1.8Ba2.0Ca2.6Cu3.0O10+d в морозную погоду при высоком давлении
Известно, что критическая температура Tc большинства ВТСП увеличивается под давлением, достигая рекордной величины Tc» 160К в HgBa2Ca2Cu3Ox при P» 30ГПа. Недавно появилось сообщение [1] об аномальном росте Tc поликристаллических образцов ВТСП Tl1.8Ba2.0Ca2.6Cu3.0O10+d при P» 5ГПа. Авторы [1] обнаружили, что Tc быстро увеличивается с ростом P от своего начального значения Tc=129К при P=0 и достигает величины Tc=255К (обычная для русской зимы температура!) при P=4.3ГПа. Вот только Tc, измеренная в [1], к сожалению, представляет собой не температуру нулевого сопротивления, а лишь температуру начала уменьшения (хотя и очень резкого) R(T) при охлаждении образца. Заметим, что статья [1] представляет собой своеобразный "интернациональный винегрет": она написана китайскими физиками на английском языке и опубликована в украинском журнале.
[1] C.Y.Han et al., ФНТ, 1998, 24, p.305
Завершена сборка магнитной системы RHIC (Brookhaven)
1800 сверхпроводящих магнитов установлены и частично испытаны в единой магнитной системе коллайдера тяжелых релятивистских ионов (RHIC). На их изготовление потребовались 21млн. метров сверхпроводящего проводника и 900 тысяч часов рабочего времени. Планируется, что первый испытательный “пуск” пучка ионов будет произведен в марте 1999 года, а в июле ожидаются эксперименты по первому столкновению пучков. Поставщиком первичного пучка ионов для RHIC станет старейший брукхэвенский синхротрон (AGS), построенный еще в 1960 году.
CERN Courier, December 1998
Сверхпроводящий фильтр
Ученые International Superconductivity Technology Center (Tokyo) совместно с NEC Corp. (Tokyo) разработали ВТСП фильтр для использования в спутниковых системах связи и на базовых станциях сотовых телефонов. В процессе разработки преодолена проблема, стоявшая перед такими фильтрами. Прежние конструкции ВТСП фильтров не совместимы с высокими уровнями мощности, характерными для систем космической связи. ВТСП фильтр, анонсированный ф. NEC, выдерживает в 10 раз более высокие уровни мощности в сравнении с другими ВТСП фильтрами.
Контакт:
G. Pindoria, e-mail: Ошибка! Закладка не определена.
Гигантский изотоп-эффект в сверхпроводнике La2-xSrxCuO4
Лантановая керамика уже принесла Alex’у Muller’у нобелевскую премию. И вот – новый подарок. Muller с соавторами обнаружил в сверхпроводнике La2-xSrxCuO4 гигантский изотоп-эффект.
Две группы экспериментаторов, возглавляемые A.Bianconi (Римский университет) и K.A.Muller’ом (Цюрихский университет) исследовали структуру спектральных линий в La1.94Sr0.06CuO4 вблизи края рентгеновского поглощения (методом XANES, чувствительным к локальным искажениям кислородного окружения атомов меди). Эксперименты проводились на источнике синхротронного излучения в Гренобле.
Вид спектра определяется статистическим распределением “мгновенных фотографий” кристаллической решетки (с характерным временем 10-15с) на масштабах порядка 5A. В эксперименте для образца La2-xSrxCuO4 ниже некоторой температуры Т* форма спектральных линий резко изменялась, что авторы связывают с замораживанием флуктуаций и возникновением поляронного упорядочения типа полос (lattice-charge stripes). При замене 16O на 18O температура Т* возрастает со 110К до 170К. При этом изотоп-эффект для температуры сверхпроводящего перехода Тс гораздо меньше и другого знака: для образца с 16O Тс» 8К, а у образца с 18O Тс примерно на 1К ниже. Столь огромный изотопический сдвиг температуры Т* авторы объясняют важной ролью поляронных эффектов в образовании полос. Такая интерпретация накладывает определенные ограничения на возможные микроскопические механизмы, ответственные за возникновение, как полосчатой структуры, так и сверхпроводящего состояния.
Ошибка! Закладка не определена., версия от 5.01.99
Верхнее критическое поле борокарбида YNi2B2C
Измерения верхнего критического поля Hc2 в сверхпроводниках осложняются наличием “паразитного” парамагнитного сигнала, обусловленного несовершенством образца (наличием областей нормальной фазы). Поэтому в ходе экспериментов по определению Hc2(T) в борокарбиде YNi2B2C группа американских и южнокорейских физиков уделила особое внимание качеству исследованных ими монокристаллов [M.-O.Mun et al., Physica C 303 (1998) 57]. Им удалось понизить парамагнитный сигнал до уровня 10% от минимального приводимого в литературе и получить таким образом более достоверные значения Hc2. Оказалось, что во всем изученном диапазоне температур 9K < T < Tc » 15K (0 < Hc2 < 3Тл) зависимость Hc2(T) имеет положительную кривизну. Иными словами, скорость роста Hc2 при понижении температуры увеличивается, а признаки выхода Hc2 на константу при T ® 0 отсутствуют. Интересно, что точно такой же вид кривая Hc2(T) имеет и в “overdoped” ВТСП. Это “совпадение” может быть следствием сходства механизмов сверхпроводимости борокарбидов и ВТСП.>
Легированная Си-О плоскость: еще одна попытка описать основное состояние
Проблема основного состояния слаболегированных 2D купратов до сих пор активно дискутируется при множестве разноречивых экспериментальных результатов и теоретических моделей. Картину усложняют два обстоятельства (к слову, они же обуславливают разнородность экспериментальных данных):
наличие дальнего и/или ближнего магнитного порядка и
существенно различная подвижность дырок при легировании исходной диэлектрической матрицы различными типами допантов.
Так, например, модельное соединение La2CuO4 можно легировать тремя принципиально разными способами: примесью замещения в позицию La (1) или Cu (2) а также примесью внедрения в виде сверхстехиометрического кислорода (3). В последнем случае из-за большой подвижности кислорода система демонстрирует макроскопическое фазовое расслоение на дырочно-богатую и дырочно-бедную фазы, размеры которых могут достигать масштаба нескольких микрон. При всем многообразии ВТСП систем, система La2CuO4+х – единственная, где явление фазового расслоения происходит на макроскопических масштабах. Именно это явление легло в основу представления о легированной Сu-О плоскости, как о нестабильной относительно фазового расслоения. При этом следует иметь в виду, что в случае “тяжелых” примесей (Sr вместо La и Li вместо Cu) система может расслаиваться только на микроуровне. В первом приближении размеры возникающих “фаз” определяются выигрышем в магнитной энергии и проигрышем в кинетической.
Какая форма зарядовых флуктуаций будет реализовываться на практике, опять же зависит от типа конкретной системы. Например, магнитная восприимчивость La(Sr)CuO4 системы трактовалась [1] как система антифазных доменов, где носители тока сконцентрированы на границах доменных стенок. Система La2CuO4+x с низкой подвижностью кислорода и, как следствие, с отсутствием макроскопического расслоения не укладывается в модель с дырочно-богатыми доменными стенками, а более адекватно описывается в модели дырочно-богатых капель с размерами, зависящими от подвижности кислорода [2]. Кроме этого, значительный блок работ (в основном по упругому рассеянию нейтронов) теперь уже на кристаллах с большой подвижностью избыточного кислорода посвящен обнаружению и исследованию кислородной сверхструктуры и структурам, связанным с кислородным упорядочением (stripes, stagers etc.).
Наконец, недавно появилась еще одна работа, касающаяся вопроса о том, как же выглядит допированная Сu-О плоскость с точки зрения распределения в ней избыточного заряда. Изучалась система La2Cu(Li)O4. Известно, что замещение меди литием дает самую низкую подвижность дырок в La2CuO4 (сопротивление dR/dT
J.Cho et al. Phys. Rev. Lett., 1993, 70, p.222
V.Pomjakushin et al. Phys. Rev. B, 1998, 58, p.12350
B.Suh et al. Phys. Rev. Lett.,1998, 81, p.2791
Сверхпроводниковый магнит для LHC
16 июля 1998 года в CERN’е продемонстрирована успешная работа сверхпроводникового дипольного магнита для будущего коллайдера LHC. В разработке и изготовлении магнита принимали участие итальянский INFN (Национальный институт ядерной физики) и промышленная компания Ansaldo Energia. INFN в содружестве с CERN разработали конструкцию сверхпроводящего магнита, а Ansaldo Energia изготовила его.
Магнит был установлен на испытательном стенде в LHC в начале июня и охлажден до температуры 1.8К, при этом было достигнуто проектное значение магнитного поля 8.3Тл. После увеличения поля до значения 8.6Тл сверхпроводниковый магнит перешел в нормальное состояние.
При весе около 26т и длине 15 –16м магнит имеет длину магнитного участка 14.2м при 1.9К, внутренний диаметр каждой из двух апертур - 56мм.
Июньская демонстрация стала частью из серии испытаний магнита, при которых магнит термоциклировали и исследовали качество магнитного поля и системы защиты магнита при его переходе в нормальное состояние.
CERN Courier, 1998, 38(6), p.17
Новая серия ВТСП (на этот раз с хромом)
Японские физики из National Institute for Research in Inorganic Materials (Tsukuba, Ibaraki) синтезировали девять соединений, относящихся к новому гомологическому ряду (Cu0.5Cr0.5)Sr2Can-1CunO2n+3+d (n=1? 9), где n представляет собой, по сути дела, число слоев CuO2 в элементарной ячейке. Все эти соединения имеют тетрагональную структуру с периодами a» 0.39нм и c» 0.8+0.32? (n-1)нм. Tc=81К, 103К, 71К, 65К, 32К, 10К при n=2; 3; 4; 5; 6; 7 соответственно. При n=1; 8; и 9 сверхпроводимость отсутствует. По данным электронной микроскопии высокого разрешения кристаллографические слои (перпендикулярные оси c) чередуются в порядке SrO-(Cu0.5Cr0.5)O-SrO-CuO2-(Ca-CuO2)n-1. Атомы ме-ди и хрома в слоях (Cu,Cr)O распределены случайным образом (если какое-то упорядочение и имеет место, то оно локальное и неполное). Источниками дырочных носителей являются избыточные атомы кислорода и/или вакансии атомов меди в слоях (Cu,Cr)O.
Транспортные измерения Hc2 в YBa2Cu3O7-x при низких температурах
При T6кбар становится сверхпроводником с Tc» 1К. Увеличение магнитного поля до H>H*» 7Тл приводит не только к исчезновению сверхпроводимости, но и к полной потери когерентности в движении электронов перпендикулярно проводящим кристаллографическим слоям, тогда как когерентность сохраняется в каждом отдельно взятом слое. Это состояние не является ферми-жидкостным. Авторы назвали его "квантово-классическим металлом", который характеризуется квантовым характером переноса заряда в слоях и классическим - перпендикулярно слоям. Поскольку величина H* уменьшается с ростом P, то не исключено, что такое состояние может реализоваться и в отсутствие магнитного поля, но при очень высоких давлениях.
Изменение симметрии параметра порядка ВТСП при допировании
Любопытные результаты получены при исследовании ВТСП Bi2Sr2CaCu2O8+d с различным содержанием кислорода методом фотоэмиссионной спектроскопии (ARPES). Нули параметра сверхпроводящего порядка D, которые присутствуют в “оптимально допированных” образцах с максимальной Tc, отсутствуют в образцах с “избыточным допированием” (overdoped). Это довольно удивительно еще и потому, что электронная зонная структура обоих типов образцов практически одинакова. Полученные данные противоречат гипотезе о “чистой” dx2-y2-симметрии D. По-видимому, D является двухкомпонентной (по крайней мере) величиной, причем “удельный вес” каждой компоненты изменяется при допировании.
(По материалам “High-Tc Update”).
R.Gatt et al., “Superconducting Gap Symmetry and Doping in Bi2Sr2CaCu2O8+x“, preprint.
I.Vobornik et al., “Electronic Structure of Overdoped Bi2Sr2CaCu2O8+x“, preprint.
(тексты обоих препринтов могут быть получены по запросу у M.Onellion; e-mail: onellion@comb.physics.wisc.edu).
Сверхпроводниковый накопитель для комфортного бомоубежища от Intermagnetics
Intermagnetics General Corp. поставила и установила сверхпроводящую магнитную накопительную систему мощностью 6МДж (6MJ microSMES) на базе ВВС США в Tyndall (Florida). Cистема IPQ-750TM включает также рефрижератор (сryocooler), ВТСП токовводы, мощную электронику с коммерческой системой бесперебойного питания (UPS). Накопитель интегрирован в автономный комплекс передвижного бомбоубежища (“Mobile/Relo-catable Shelter”) и рассчитан на бесперебойную работу в течение 24 часов в сутки. Компактное бомбоубежище имеет размеры 16 x 2.8 x 2.8м3.
ВВС США является лидером в продвижении накопителей в военную технику. На сегодня, кроме Intermagnetics, коммерческие накопители изготавливает и устанавливает American Superconductor.
"Разрушение" поверхности Ферми в высокотемпературных сверхпроводниках с низким уровнем допирования
Электроны являются фермионами, поэтому ни одно квантовое состояние не может быть занято сразу двумя электронами (принцип Паули). Это, собственно, и приводит к разнообразию свойств индивидуальных атомов в Периодической Таблице. Что касается больших атомных систем, то именно в силу принципа Паули электроны не "сваливаются" в одно состояние с минимальной энергией, а однородно распределяются по импульсному пространству, занимая состояния с энергиями, не превышающими некоторую минимальную энергию, которая называется энергией Ферми. Таким образом, электроны как бы формируют в импульсном пространстве (в периодических системах - в зоне Бриллюэна) некое подобие "капли". Энергия электронных состояний на поверхности этой "капли" (поверхности Ферми) равна энергии Ферми. Деформация и колебания поверхности Ферми определяют коллективные свойства металлов.
ВТСП, открытые 12 лет назад, представляют собой качественно новый тип металлов: перемещение электронов в ВТСП ограничено проводящими слоями CuO2; в направлении, перпендикулярном этим слоям, проводимость очень низкая, а зона Бриллюэна является практически двумерной. Многие необычные свойства ВТСП проистекают, по-видимому, из коррелированного движения электронной жидкости в пределах слоев CuO2. Специфические особенности этого движения формируются при температуре, превышающей температуру сверхпроводящего перехода Tc, и "оставляют свои следы" на поверхности Ферми.
Единственный, известный на сегодня надежный способ экспериментального определения параметров поверхности Ферми в ВТСП - это фотоэмиссионная спектроскопия с угловым разрешением. Когда высокоэнергетичный фотон рассеивается на исследуемом образце, он "выселяет" электрон из занятого им состояния, в результате чего в электронной жидкости образуется "дырка". Анализ интенсивности выбитых электронов дает информацию об изначальном распределении электронов по энергии и импульсу. Этим методом было установлено, что в ВТСП с оптимальным уровнем допирования (то есть с такой концентрацией носителей заряда, при которой Tc конкретной системы максимальна) двумерная поверхность Ферми имеет форму квадрата со скругленными краями [1,2].
По-другому обстоят дела в “underdoped” ВТСП, где уровень допирования (концентрация носителей) ниже оптимальной величины. Если при температуре выше некоторой температуры T*>Tc также наблюдается "квадратоподобная" поверхность Ферми, то понижение температуры ниже T* ведет к появлению в плотности электронных состояний на уровне Ферми так называемой "псевдощели", то есть, число электронов на поверхности Ферми резко уменьшается. При дальнейшем охлаждении образца до Tc происходит переход в сверхпроводящее состояние, то еcть на поверхности Ферми возникает не псевдо-, а сверхпроводящая щель. Пока не понятно, связано ли наличие псевдощели со сверхпроводящими корреляциями электронов, которые развиваются еще в нормальном состоянии, или же псевдощель имеет другое происхождение (например, она может быть обусловлена спиновыми корреляциями в соседних слоях CuO2).
В недавней работе [3] большого коллектива американских, индийских и японских физиков (Argonne National Laboratory, University of Illinois at Chicago; Tata Institute of Fundamental Research; Tohoku University, Nagoya University, National Research Institute for Metals, University of Tsukuba) была детально промерена поверхность Ферми "under-doped" монокристалла ВТСП Bi2Sr2CaCu2O8+d с Tc=85К. Выяснилось, что формирование псевдощели ведет к "разрыву" поверхности Ферми. А происходит это так. Псевдощель при T*=180K возникает первоначально в четырех точках поверхности Ферми, которые находятся в центрах сторон "скругленного квадрата". При этом непрерывность поверхности Ферми оказывается нарушенной. По мере понижения температуры псевдощель "расползается" по направлению к скругленным углам (дугам). Поверхность Ферми при этом представляет собой четыре не связанные друг с другом дуги, размеры которых по мере охлаждения уменьшаются (но форма дуг при этом не изменяется!). Полностью дуги исчезают лишь при T=Tc. При температуре ниже Tc на поверхности Ферми имеется сверхпроводящая щель. Но не на всей поверхности Ферми. Дело в том, что сверхпроводящая щель сильно анизотропна и равна нулю в четырех точках поверхности Ферми. Интересно, что это именно те точки, в которых "схлопнулись" четыре дуги при подходе к Tc "сверху"!
Аналогичные результаты были получены и для другого "underdoped" образца с Tc=77К. А вот в "overdoped" монокристаллах с Tc=82 и 87К, у которых концентрация носителей выше оптимальной, псевдощели при T>Tc обнаружено не было. По-видимому, между псевдощелью и сверхпроводящей щелью в ВТСП имеется какая-то связь, которая может оказаться весьма нетривиальной, как нетривиальна и необычная (зависящая от температуры) анизотропия псевдощели. Не исключено, что в нормальном состоянии ВТСП присутствуют виртуальные электронные пары, время жизни которых t связано с неопределенностью их энергии связи D e соотношением t D e ~h [4]. Когда величина D e становится сравнима со сверхпроводящей щелью в определенной точке поверхности Ферми, то в этой точке "открывается" псевдощель.
Как бы то ни было, приведенные в [3] результаты позволяют примирить большое количество имеющихся в литературе противоречивых данных, полученных при исследовании псевдощели различными методами. Действительно, поскольку псевдощель сильно анизотропна в импульсном пространстве, то температурная зависимость конкретной физической величины (электрической проводимости, удельной теплоемкости, туннельного тока и т.д.) определяется конкретной зависимостью соответствующего матричного элемента от импульса, а эти матричные элементы для разных физических величин могут существенно различаться.
В электронном Банке препринтов уже появились первые теоретические работы [5-7], посвященные объяснению данных работы [3] и формулировке соответствующих моделей.
Аналогичные результаты были получены и для другого "underdoped" образца с Tc=77К. А вот в "overdoped" монокристаллах с Tc=82 и 87К, у которых концентрация носителей выше оптимальной, псевдощели при T>Tc обнаружено не было. По-видимому, между псевдощелью и сверхпроводящей щелью в ВТСП имеется какая-то связь, которая может оказаться весьма нетривиальной, как нетривиальна и необычная (зависящая от температуры) анизотропия псевдощели. Не исключено, что в нормальном состоянии ВТСП присутствуют виртуальные электронные пары, время жизни которых t связано с неопределенностью их энергии связи D e соотношением t D e ~h [4]. Когда величина D e становится сравнима со сверхпроводящей щелью в определенной точке поверхности Ферми, то в этой точке "открывается" псевдощель.
Как бы то ни было, приведенные в [3] результаты позволяют примирить большое количество имеющихся в литературе противоречивых данных, полученных при исследовании псевдощели различными методами. Действительно, поскольку псевдощель сильно анизотропна в импульсном пространстве, то температурная зависимость конкретной физической величины (электрической проводимости, удельной теплоемкости, туннельного тока и т.д.) определяется конкретной зависимостью соответствующего матричного элемента от импульса, а эти матричные элементы для разных физических величин могут существенно различаться.
В электронном Банке препринтов уже появились первые теоретические работы [5-7], посвященные объяснению данных работы [3] и формулировке соответствующих моделей.
C.G.Olson et al., Science 1989, 245, p.731
J.C.Campuzano et al., Phys. Rev. Lett. 1990, 64, p.2308
M.R.Norman et al., Nature 1998, 392, p.157
P.Coleman, Nature 1998, 392, p.134
G.Preosti et al.,
http://xxx.lanl.gov/abs/cond-mat/9808298
J.Kishine and K.Yonemitsu,…/cond-mat/9808303
V.J.Emery and S.A.Kivelson,…/cond-mat/9809083
Аномалии спектра одночастичных возбуждений в Bi2Sr2CaCu2O8+d
Согласно стандартной теории сверхпроводимости БКШ, величина критической температуры Tc определяется величиной сверхпроводящей щели D, которая, в свою очередь, обусловлена характерной энергией фононов (или каких-то других "спаривающих бозонов"). Переход в сверхпроводящее состояние приводит к модификации только тех одночастичных возбуждений, энергия которых меньше или порядка D (то есть » 2kBTc, так как 2D /kBTc» 3.5 в модели БКШ). В обычных сверхпроводниках D на несколько порядков меньше энергии Ферми, поэтому требование совместного выполнения законов сохранения энергии и импульса при взаимодействии двух электронов приводит к тому, что спариваются электроны, находящиеся в очень узкой области импульсного пространства: полный импульс двух электронов в куперовской паре K» 0, так что фактически спариваются лишь электроны с импульсами k» -k?.
Совершенно другая картина открылась группе американских, австралийских и японских ученых при исследовании одночастичной спектральной плотности оптимально допированных монокристаллов Bi2Sr2CaCu2O8+d методом фотоэмиссионной спектроскопии с угловым разрешением. Оказалось, что при понижении температуры ниже Tc одночастичный спектр изменяется в очень широком интервале энергий, вплоть до 300мэВ (или 40kBTc) при некоторых значениях импульса. Это говорит о том, что в ВТСП, вероятно, в спаривании участвуют практически все электроны, а не только те из них, которые находятся в узкой "корочке" вблизи поверхности Ферми. Как следствие, не исключено, что величина Tc в ВТСП ограничивается не силой спаривающего взаимодействия электронов, а какими-то другими, пока нам неизвестными факторами. Полученные результаты ставят под сомнение применимость каких бы то ни было теорий среднего поля к ВТСП.
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
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 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