Chất siêu dẫn nhiệt độ cao

Việc phát hiện ra tính siêu dẫn trong gốm đồng-oxit ở nhiệt độ trên điểm sôi của nitơ lỏng đã đảo lộn những kỳ vọng và hé lộ một cơ chế ghép cặp phi truyền thống mà lý thuyết BCS không giải thích được.

Definition

Chất siêu dẫn nhiệt độ cao là những vật liệu, chủ yếu là gốm đồng-oxit (cuprate), siêu dẫn ở nhiệt độ cao hơn nhiều so với giới hạn thông thường; chúng xuất hiện từ việc pha tạp các chất cách điện Mott phản sắt từ, thể hiện ghép cặp sóng d, và được cho là được thúc đẩy bởi một cơ chế điện tử, không phải phonon đơn giản, mà vẫn chưa được giải thích.

Scope

Chủ đề này bao gồm các chất siêu dẫn nhiệt độ cao gốc cuprate và các chất liên quan: cấu trúc đồng-oxit lớp của chúng, các hợp chất gốc Mott cách điện phản sắt từ, giản đồ pha với pha tạp bao gồm khe giả (pseudogap) và vòm siêu dẫn, đối xứng ghép cặp sóng d, và vấn đề chưa được giải quyết về cơ chế ghép cặp. Nó cũng đề cập đến các chất siêu dẫn gốc sắt và hydrua áp suất cao. Nó đối chiếu các chất siêu dẫn phi truyền thống này với bức tranh BCS truyền thống của các chủ đề liên quan.

Core questions

• Những đặc điểm cấu trúc và điện tử nào phân biệt chất siêu dẫn cuprate với kim loại thông thường?
• Trạng thái siêu dẫn xuất hiện như thế nào từ việc pha tạp một chất cách điện Mott phản sắt từ?
• Khe giả (pseudogap) là gì, và giản đồ pha tổ chức các cuprate như thế nào?
• Tại sao lý thuyết BCS thông thường không giải thích được tính siêu dẫn nhiệt độ cao?

Key concepts

• Các lớp đồng-oxit cuprate
• Chất gốc Mott cách điện phản sắt từ pha tạp
• Giản đồ pha, khe giả (pseudogap), và vòm siêu dẫn
• Đối xứng ghép cặp sóng d
• Chất siêu dẫn gốc sắt và hydrua

Clinical relevance

Chất siêu dẫn nhiệt độ cao có thể hoạt động với hệ thống làm mát bằng nitơ lỏng không đắt, cho phép tạo ra cáp điện, bộ giới hạn dòng sự cố và nam châm trường cao; việc tìm hiểu cơ chế của chúng cũng là một trong những vấn đề mở sâu sắc nhất trong vật lý, trọng tâm của lý thuyết điện tử tương quan mạnh.

History

Bednorz và Müller đã phát hiện ra tính siêu dẫn gần 35 K trong một cuprate lanthanum vào năm 1986, giành giải Nobel vào năm sau; việc phát hiện ra YBa2Cu3O7 vào năm 1987 với nhiệt độ chuyển tiếp 93 K, trên nhiệt độ nitơ lỏng, đã kích hoạt một sự bùng nổ nghiên cứu vẫn tiếp diễn.

Debates

Cơ chế ghép cặp của các cuprate

Nhiều thập kỷ sau khi được phát hiện, vẫn chưa có sự đồng thuận về điều gì liên kết các điện tử trong chất siêu dẫn nhiệt độ cao; các kịch bản dao động spin, liên kết hóa trị cộng hưởng và các kịch bản điện tử tương quan mạnh khác đang cạnh tranh, và vai trò của khe giả (pseudogap) vẫn còn gây tranh cãi.

Key figures

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

Seminal works

• bednorz1986
• wu1987

Frequently asked questions

Tại sao tính siêu dẫn nhiệt độ cao được coi là phi truyền thống?

Các cuprate siêu dẫn ở nhiệt độ cao hơn nhiều so với nhiệt độ mà ghép cặp phonon BCS được cho là cho phép, xuất hiện từ các chất gốc từ tính cách điện chứ không phải kim loại tốt, và có ghép cặp sóng d chứ không phải sóng s, vì vậy cơ chế của chúng dường như là điện tử chứ không phải cơ chế dao động mạng tinh thể thông thường.

Cơ chế siêu dẫn nhiệt độ cao đã được giải quyết chưa?

Chưa. Mặc dù đã có những nỗ lực rất lớn, cơ chế ghép cặp của các cuprate vẫn chưa được giải quyết; nó được coi là một trong những vấn đề mở quan trọng nhất trong vật lý vật chất ngưng tụ.