Hochtemperatur-Supraleiter

Die Entdeckung der Supraleitung in Kupferoxid-Keramiken oberhalb des Siedepunkts von flüssigem Stickstoff stellte Erwartungen auf den Kopf und offenbarte einen unkonventionellen Paarungsmechanismus, der durch die BCS-Theorie nicht erklärt wird.

Definition

Hochtemperatur-Supraleiter sind Materialien, hauptsächlich die Kupferoxid (Kuprat)-Keramiken, die bei Temperaturen weit über der konventionellen Grenze supraleitend werden; sie entstehen durch Dotierung antiferromagnetischer Mott-Isolatoren, zeigen d-Wellen-Paarung und es wird angenommen, dass sie durch einen elektronischen, nicht einfachen Phonon-Mechanismus angetrieben werden, der weiterhin ungeklärt ist.

Scope

Dieses Thema behandelt die Kuprat- und verwandte Hochtemperatur-Supraleiter: ihre geschichtete Kupferoxid-Struktur, die antiferromagnetischen Mott-isolierenden Ausgangsverbindungen, das Phasendiagramm mit Dotierung einschließlich der Pseudolücke und der supraleitenden Domäne, die d-Wellen-Paarungssymmetrie und das zentrale ungelöste Problem des Paarungsmechanismus. Es berührt auch eisenbasierte Supraleiter und Hochdruckhydride. Es kontrastiert diese unkonventionellen Supraleiter mit dem konventionellen BCS-Bild der verwandten Themen.

Core questions

• Welche strukturellen und elektronischen Merkmale unterscheiden Kuprat-Supraleiter von konventionellen Metallen?
• Wie entsteht der supraleitende Zustand durch Dotierung eines antiferromagnetischen Mott-Isolators?
• Was ist die Pseudolücke, und wie organisiert das Phasendiagramm die Kuprate?
• Warum versagt die konventionelle BCS-Theorie bei der Erklärung der Hochtemperatur-Supraleitung?

Key concepts

• Kuprat-Kupferoxid-Schichten
• Dotierter antiferromagnetischer Mott-Isolator als Ausgangsmaterial
• Phasendiagramm, Pseudolücke und supraleitende Domäne
• d-Wellen-Paarungssymmetrie
• Eisenbasierte und Hydrid-Supraleiter

Clinical relevance

Hochtemperatur-Supraleiter können mit kostengünstiger Flüssigstickstoffkühlung betrieben werden, was Stromkabel, Fehlerstrombegrenzer und Hochfeldmagnete ermöglicht; das Verständnis ihres Mechanismus ist auch eines der tiefgreifendsten ungelösten Probleme in der Physik, zentral für die Theorie stark korrelierter Elektronen.

History

Bednorz und Müller entdeckten 1986 die Supraleitung bei etwa 35 K in einem Lanthan-Kuprat und gewannen im folgenden Jahr den Nobelpreis; die Entdeckung von YBa2Cu3O7 mit einer Übergangstemperatur von 93 K im Jahr 1987, oberhalb der Flüssigstickstofftemperatur, löste eine Forschungsexplosion aus, die bis heute anhält.

Debates

Paarungsmechanismus der Kuprate

Jahrzehnte nach ihrer Entdeckung gibt es keinen Konsens darüber, was die Elektronen in Hochtemperatur-Supraleitern bindet; Spinfluktuations-, Resonanz-Valenzbindungs- und andere stark korrelierte elektronische Szenarien konkurrieren, und die Rolle der Pseudolücke bleibt umstritten.

Key figures

• Johannes Georg Bednorz
• Karl Alexander Müller
• Philip Warren Anderson

Seminal works

• bednorz1986
• wu1987

Frequently asked questions

Warum wird Hochtemperatur-Supraleitung als unkonventionell angesehen?

Die Kuprate supraleiten weit über den Temperaturen, die die BCS-Phononenpaarung erlauben sollte, entstehen aus isolierenden magnetischen Ausgangsmaterialien statt aus guten Metallen und weisen eine d-Wellen- statt einer s-Wellen-Paarung auf, sodass ihr Mechanismus eher elektronisch als der konventionelle Gittervibrationsmechanismus zu sein scheint.

Wurde der Mechanismus der Hochtemperatur-Supraleitung gelöst?

Nein. Trotz enormer Anstrengungen bleibt der Paarungsmechanismus der Kuprate ungelöst; er gilt weithin als eines der wichtigsten offenen Probleme in der Festkörperphysik.