Высокотемпературные сверхпроводники

Открытие сверхпроводимости в медно-оксидных керамиках при температурах выше точки кипения жидкого азота опровергло ожидания и выявило нетрадиционный механизм спаривания, который не объясняется теорией БКШ.

Definition

Высокотемпературные сверхпроводники — это материалы, в основном медно-оксидные (купратные) керамики, которые проявляют сверхпроводимость при температурах значительно выше обычного предела; они возникают при легировании антиферромагнитных изоляторов Моотта, демонстрируют d-волновую симметрию спаривания и, как полагают, обусловлены электронным, а не простым фононным механизмом, который остается необъясненным.

Scope

Эта тема охватывает купратные и родственные высокотемпературные сверхпроводники: их слоистую медно-оксидную структуру, антиферромагнитные родительские соединения типа изоляторов Моотта, фазовую диаграмму с легированием, включая псевдощель и сверхпроводящий купол, d-волновой симметрию спаривания и центральную нерешенную проблему механизма спаривания. Она также затрагивает сверхпроводники на основе железа и гидриды высокого давления. В ней эти нетрадиционные сверхпроводники противопоставляются традиционной картине БКШ в родственных темах.

Core questions

• Какие структурные и электронные особенности отличают купратные сверхпроводники от обычных металлов?
• Как сверхпроводящее состояние возникает при легировании антиферромагнитного изолятора Моотта?
• Что такое псевдощель и как фазовая диаграмма организует купраты?
• Почему традиционная теория БКШ не может объяснить высокотемпературную сверхпроводимость?

Key concepts

• Купратные медно-оксидные слои
• Легированный антиферромагнитный родительский изолятор Моотта
• Фазовая диаграмма, псевдощель и сверхпроводящий купол
• d-волновая симметрия спаривания
• Сверхпроводники на основе железа и гидридные сверхпроводники

Clinical relevance

Высокотемпературные сверхпроводники могут работать с недорогим охлаждением жидким азотом, что позволяет создавать силовые кабели, ограничители тока короткого замыкания и сильнопольные магниты; понимание их механизма также является одной из глубочайших открытых проблем в физике, центральной для теории сильно коррелированных электронов.

History

Беднорц и Мюллер открыли сверхпроводимость при температуре около 35 К в лантановом купрате в 1986 году, получив Нобелевскую премию в следующем году; открытие YBa2Cu3O7 в 1987 году с температурой перехода 93 К, выше температуры жидкого азота, вызвало взрыв исследований, который продолжается до сих пор.

Debates

Механизм спаривания купратов

Спустя десятилетия после их открытия нет единого мнения о том, что связывает электроны в высокотемпературных сверхпроводниках; конкурируют сценарии спиновых флуктуаций, резонирующих валентных связей и другие сильно коррелированные электронные сценарии, а роль псевдощели остается предметом споров.

Key figures

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

Seminal works

• bednorz1986
• wu1987

Frequently asked questions

Почему высокотемпературная сверхпроводимость считается нетрадиционной?

Купраты проявляют сверхпроводимость значительно выше температур, которые, как считалось, допускало фононное спаривание БКШ, возникают из изолирующих магнитных родительских соединений, а не из хороших металлов, и имеют d-волновую, а не s-волновую симметрию спаривания, поэтому их механизм, по-видимому, является электронным, а не традиционным, основанным на колебаниях решетки.

Был ли решен механизм высокотемпературной сверхпроводимости?

Нет. Несмотря на огромные усилия, механизм спаривания купратов остается нерешенным; это широко признано одной из важнейших открытых проблем в физике конденсированного состояния.