ЭлементыЭлементы большой науки
Жизнь в науке. Дневники
Главная / Дневники / Юрий Ерин / Запись

О СВЕРХПРОВОДИМОСТИ ФУЛЛЕРЕНОВ В ЖУРНАЛЕ NATURE

vortex
02.06.2008
18:45

В одном из последних номеров Nature появилась любопытная статья под названием Bulk superconductivity at 38K in a molecular system, в которой идёт речь о наблюдении явления сверхпроводимости в молекуле фуллерита Cs3C60.
О сверхпроводимости в таких системах впервые заговорили весной 1991 года, когда в Bell labs группе исследователей под руководством A.F.Hebard  удалось синтезировать фуллерит K3C60, который переходил в сверхпроводящее состояние при температуре 19,3 К. В дальнейшем  выяснилось, что до сегодняшнего времени соединение RbCs2C60 обладает наибольшей Тс, равной 33,1 К, среди щелочных соединений С60.

Если же речь идёт не только о фуллеритах с исключительно щелочными материалами, то температура сверхпроводящего перехода для системы RbTlC60  также достаточно высокая и составляет около 48 К, а для  CuC60 превышает температуру кипения азота (77 К). Абсолютный же  рекорд критической температуры сверхпроводящего перехода в фуллеритах  был установлен в 2001 году всё в той же Bell Labs. Расширяя решетку С60 введением CHBr3 удалось получить Тс=117К !
Вот теперь любопытное. Авторы вышеупомянутой статьи утверждают, что в фуллерите Cs3C60, они наблюдали органический материал с наибольшей Тс=38 К. Цитата:  "Here, we show that superconducting Cs3C60 ... has the highest Tc of any molecular material at 38 K" .
Интересно,получается, что остальные фуллериты не являются по мнению авторов органическими материалами? :) Возможно, они утверждают о рекорде критической температуры для соединений фуллерена с щелочами?

P.S. В самой статье речь идёт о фуллеридах, поэтому для корректности здесь стоило бы отметить, что фуллериды - это химические соединения на основе
фуллеренов, а фуллериты представляют собой соединения фуллеренов, находящиеся в твёрдой фазе.

Ответить предыдущая | следующая

КОММЕНТАРИИ:

03.06.2008 21:05#
lesnik
О сверхпроводимости фуллеренов в журнале Nature
Насколько видно, все ВТСП состоят из слоёв. Скажите, пожалуйста, нельзя ли предположить, что каждый слой локализует электроны наподобие квантовой ямы. При этом движение в направлении перепендикулярном слою - квантуется. При определённой плотности электронов, они могут занимать частично низший уровень. Если электронов на этом уровне два, то состояния со спином S=1 и S=0 могут расщепляться из-за существования кулоновского отталкивания между электронами подобно тому, как это происходит в гелии (выделяют ортогелий и парагелий). Таким образом, казалось бы и могли образовываться бозоны? Но образование бозонов ещё не говорит о том, что их ток будет сверхтекучим. Но вот для графена известно, что дисперсионное соотношение для электронов в плоскости графена соответствует безмассовым частицам, а следовательно их движение может быть сверхтекучим. Последнее я говорю за тем, что в двумерном электронном газе движение перпендикулярно плоскости локализации электронов - тоже квантовано. Казалось бы можно рассуждать также, но никакой сверхпроводимости там не наблюдается. По крайней мере, это можно было бы отнести за счёт того, что дисперсионное соотношение для импульса в плоскости локализации там соответствует массовым частицам, поэтому их ток никак сверхтекучим быть не может (правда там и расщепления синглета и триплета нет, я точно не знаю почему, как там сказывается кулоновское отталкивание, возможно, что локализация в поперечном направлении канала - не столь уж и значительная?). И ещё одно возражение данной гипотезе. Известно, что графен - металл при температурах от 10 до 100 К. Но, возможно, что в случае только углеродных атомов не хватает электронов для локализации двух электронов проводимости в одном состоянии?
05.06.2008 02:55#
О сверхпроводимости фуллеренов в журнале Nature
Но вот для графена известно, что дисперсионное соотношение для электронов в плоскости графена соответствует безмассовым частицам, а следовательно их движение может быть сверхтекучим.
Какая связь между массой и сверхтекучестью? Почему ток куперовских пар является сверхтекучим?
05.06.2008 18:45#
lesnik
О сверхпроводимости фуллеренов в журнале Nature
"Какая связь между массой и сверхтекучестью? Почему ток куперовских пар является сверхтекучим?"

Я не большой знаток сверпроводимости, настолько поскольку. Поэтому буду признателен, если вы меня поправите. Куперовские пары - частицы со спином 0, т.е. бозоны. Если дисперсионное соотношение для таких частиц удовлетворяет некоторым условиям, то они могут течь, не испытывая сопротивление. Данное условие заключается фактически в том, чтобы дисперсионная кривая в начале координат не касалась оси импульсов (иначе, для возникновения возбуждений бозе-жидкости необходимо, чтобы выполнялось условие v > E/p, ЛЛ т.9, п. 23). Для куперовских пар условие сверхтекучести выполняется - несмотря на то, что зависимость их энергии от импульса квадратична в начале координат, тем не менее существует энергетическая щель \Delta, которая и обеспечивает "некасание" кривой с осью импульса. Правда, в случае купервоских пар рассматривают дисперсионную кривую в окрестности p_F. Я как-то не могу сообразить как это сопоставить с рассмотрением кривой в окрестности p=0 в случае свехтекучести бозе-жидкости. Надо подумать.

Насчёт графена, я тоже пока не понимаю. Ну и что, что дисперсионная кривая при малых энергиях линейна по импульсу (http://en.wikipedia.org/wiki/Graphene )? Как это сказывается на его свойствах? В окрестности E_F можно всегда считать, что энергия линейна по импульсу, и что?
05.06.2008 20:39#
О сверхпроводимости фуллеренов в журнале Nature
Я тоже не знаток сверхпроводимости. И я плохо задал свой вопрос. Я имел в виду простое объяснение, "на пальцах", причины возникновения сверхпроводимости.

Насколько я знаю, причина движения без рассеяния энергии не связана с фермионной или бозонной статистикой. Например, электронный ток тоже может течь вокруг ядра в атоме без потерь энергии(мое наивное представление орбитального момента). Простое объяснение сверхтекучести, которые вы и написали: куперовские пары текут без сопротивления потому, что следующий уровень энергии находится слишком высоко; сверхпроводимость это макроскопическое проявление квантовой механики. Я, правда, не знаю, почему куперовские пары в сверхпроводнике с некоторым постоянным током и в сверхпроводнике с отсутствием тока находятся на том же уровне энергии. Видимо, это как-то связано с тем, что сверхпроводящий ток связан с градиентом фазы волновой функции, а не амплитуды. Но это уже мои фантазии.
А бозонная статистика, насколько я понимаю, необходима только для того, чтобы это явление было макроскопическим.

Я не знаю, как связан графен и сверхтекучесть.
Один студент, который приезжал, так как он думает сюда поступать в аспирантуру, работал с графеном и рассказал, что графен очень интересен физикам высоких энергий. Из-за пресловутого дисперсионного соотношения в графене можно получать дырка-электрон пары на подобие того, как из-за квантовых флуктуаций могут рождаться протон-позитрон пары в вакууме. Это интересно, так можно изучать разные результаты квантовой электродинамики.
Вроде, ничего не напутал.

Хороший парень, он меня удивил\повеселил рассказом о том, каким образом Новоселов, а вслед за ним и все получают графен; я его о том, как Камерлин-Оннес сверхпроводимость открывал, и о шести критических полях в сверхпроводниках.
06.06.2008 00:10#
lesnik
О сверхпроводимости фуллеренов в журнале Nature
"Я, правда, не знаю, почему куперовские пары в сверхпроводнике с некоторым постоянным током и в сверхпроводнике с отсутствием тока находятся на том же уровне энергии."

На одном уровне энергии (в основном состоянии) находятся возбуждения, именно они характеризуют рассеяние энергии. При этом жидкость как целое может двигаться с различной скоростью.

В отношении роли бозонов в сверхтекучести, вы наверное правы. Только макроскопическое число бозонов (не фермионов) может находиться в основном (невозбуждённом) состоянии. Если это состояние имеет ненулевой импульс, то большое число бозонов в нём соответствует макроскопическому току. Однако, насколько я понимаю, не обязательно, чтобы спектр бозонов имел энергетическую щель. Достаточно, чтобы он удовлетворял условию сверхтекучести бозе-жидкости. Это более слабое условие, чем существование энергетической щели.
06.06.2008 04:18#
О сверхпроводимости фуллеренов в журнале Nature
На одном уровне энергии (в основном состоянии) находятся возбуждения, именно они характеризуют рассеяние энергии.

Я не понимаю это предложение. Что такое возбуждения?

Однако, насколько я понимаю, не обязательно, чтобы спектр бозонов имел энергетическую щель.

Да, есть gapless сверхпроводимость. Но это я "на пальцах" уже не понимаю.
06.06.2008 12:43#
vortex
О сверхпроводимости фуллеренов в журнале Nature
Бесщелевая сверхпроводимость связана с наличием магнитных примесей в материале. При внесении магнитных примесей щель уменьшается быстрее, чем критическая температура, поэтому наступает такой момент момент, когда щели нет, а сверхпроводимость есть. Это попытка объяснения "на пальцах" :)
06.06.2008 17:37#
О сверхпроводимости фуллеренов в журнале Nature
Но ведь критическая температура определяется размером щели?
06.06.2008 17:48#
vortex
О сверхпроводимости фуллеренов в журнале Nature
Критическая температура определяется константой электрон-фонноного взаимодействия и дебаевской температурой.
07.06.2008 02:09#
О сверхпроводимости фуллеренов в журнале Nature
А ширина щели?
07.06.2008 19:33#
vortex
О сверхпроводимости фуллеренов в журнале Nature
А ширину щели в теории БКШ можно посчитать по формуле 1.76*k*Tc, k - постоянная Больцмана
06.06.2008 21:56#
lesnik
О сверхпроводимости фуллеренов в журнале Nature
Скажите, пожалуйста, бесщелевая сверхпроводимость наблюдалась экспериментально? Отсутствие щели соответствует тому, что энергия связи подобной куперовской пары равна нулю? И вопрос немного в сторону. Интересно, а атомарный слой меди такими же свойствами обладает, что и графен?
06.06.2008 23:59#
vortex
О сверхпроводимости фуллеренов в журнале Nature
Да, конечно. Её отсутствие определили по вольт-амперной характеристике туннельного контакта.
Парадоксально, но отсутствие щели в "такой" (бесщелевой) сверхпроводимости не означает, что энергия связи куперовской пары равна нулю.
А какие конкретно свойства вы имеете в виду?
07.06.2008 00:18#
lesnik
О сверхпроводимости фуллеренов в журнале Nature
"А какие конкретно свойства вы имеете в виду?"

Я что-то не могу себе уяснить в чём особенность линейной зависимости энергии от импульса для электронов в графене, как это проявляется? Это имеется в виду у нижнего края зоны? Интересно, для других атомарных плёнок, которые присутствуют в сверхпроводниках, выполняется такое же соотношение?
07.06.2008 19:32#
vortex
О сверхпроводимости фуллеренов в журнале Nature

Как это проявляется? Рекомендую вам прочитать первые два абзаца в этой недавно вышедшей статье.

Неграфеновые плёнки имеют отличный от линейного закон дисперсии.

23.04.2009 16:07#
О сверхпроводимости фуллеренов в журнале Nature
На БКШовском языке можно было бы сказать, что пары образуются "затравочными" электронами не на поверхности Ферми, а либо под поверхностью Ферми, либо над поверхностью Ферми. После "затравки" и "спаривания" они обеспечивают энергетически более выгодное состояние.

На поверхности Ферми (особенно отличной от шарика) не все электроны спарены и щели нет.

Для неБКШовской теории эта энергетически выгодная "щель" не для куперовских ПАР, а для одноэлектронных орбиталей. Она может выходить по некоторым направлениям на поверхность Ферми, опускаться и подниматься относительно ПФ.

Это если на пальцах попытаться понятно объяснить :)))
06.06.2008 21:56#
lesnik
О сверхпроводимости фуллеренов в журнале Nature
"Что такое возбуждения?"

Для жидкого гелия возбуждения - это фононы (колебания атомов). Тело может покоиться или двигаться с разной скоростью, но энергия рассеивается (переходит в тепло) только, когда появляются фононы. Фононы - безмассовые частицы, закон дисперсии для них при малых импульсах: E_ф = c p_ф, где с - его скорость. Если рассмотреть в такой жидкости движение твёрдого тела (частицы) массой M, то фононы возбуждаются, только когда выполняется закон сохранения энергии, Е_ч0 = Е_ч + Еф, и имупльса, р_ч0 = р_ч + р_ф, одновременно (где левая часть уравнений соответствует начальному состоянию частицы, когда фонона нет). А это возможно (т.е. система уравнений совместна) как нетрудно убедиться, только когда скорость частицы v_0 = p_0/M > c. Т.е. при условии v < c скорость частицы, двигающейся в жидкости не может уменьшится, а фонон не может возникнуть, а это и есть свертекучесть.

Интересно отметить, что точно так же можно рассуждать и в случае излучения Вавилова-Черенкова: частица излучает фотоны, только когда скорость этой частицы больше скорости фотонов. Как известно при движении в среде скорость частицы может превышать скорость фотонов, тогда и возникает излучение, открытое экспериментально в 1934 году Черенковым и Вавиловым и объяснённое Таммом и Франком в 1937 году (за что все, кроме Вавилова который не успел, получили Нобелевскую премию в 1958 году). В 8 томе ЛЛ делается замечание, однако, что подобное излучение для электрона, двигающегося со сверхсветовой скоростью, рассматривалось ещё в 1904 году Зоммерфельдом. Но потом ОТО запретила сверхсветовые скорости и об этом, наверное, забыли (но, по крайней мере, все наверняка знали, что излучение фотона при равномерном движении электрона невозможно по кинематике). Возможно Тамм и Франк ещё многое чего насчитали по этому поводу и премия была заслуженной (да и Зоммерфельда к 1958 году уже не было). Кстати по поводу того, что эффект Вавилова-Черенкова похож на явление сверхтекучести, Ландау никак не упоминает в 9 томе (он пишет в сущности подобную тривиальную систему уравнений, что приведена в начале, но при этом переходит то в одну систему отсчёта, то в другую, что немного замутняет изложение). Но заслуг Ландау в объяснении сверхтекучести, наверное, не стоит умалять. В конце концов, именно он в 1947 году дополнил спектр фононов, приведённый выше, ротонным вкладом и, возможно, ещё многое чего сделал по этому поводу. Да, дополню, что сверхтекучесть была экспериментально открыта Капицей в 1938 году и объяснена Ландау в 1941.

Вы бы нам рассказали, как графен делают и сверхпроводимость открывали.
07.06.2008 02:25#
О сверхпроводимости фуллеренов в журнале Nature
Про графен я буду рассказывать то, что слышал от студента:
Берем липкую ленту. Пишем на ней карандашом. У нас остается графитовый след на липкой ленте. Берем другую липкую ленту. Склеиваем две ленты. Раздираем их. У нас остается графитовый след на обеих лентах. Берем новую чистую ленту, склеиваем с одной из получившихся. Раздираем... Продолжаем это процесс, пока у нас не останется графен на одной из лент.
Естественно, там есть тонкости: наверное, глазами графен не увидишь, поэтому надо искать в микроскопе; делаться это все, наверное, в чистой комнате(cleanroom)...Но сама простота процесса меня поразила, я думал, какая-нибудь литография или выжигают как-то.

Сверхпроводимость:
Отсутствие сопротивление, сверхпроводимость, открыл Камерлин-Оннес. Мотивация его измерений была: померить закон роста сопротивления к бесконечности вблизи абсолютного нуля. Согласно теории(модели, гипотезы?) Лорда Келвина электроны связаны в металле с ядрами, они "сидят" на ядре в атоме. При температуре отличной от абсолютного нуля часть атомов диссоциируют на ионы и электроны, и свободные электроны проводят ток. При приближении к абсолютному нулю температур электроны садятся обратно на атомы, и поэтому сопротивление должно устремиться к бесконечности. Вот закон, с которым сопротивление будет стремиться к бесконечности, и хотел открыть Камерлин-Оннес. Вместо этого он нашел сверхпроводимость.
06.06.2008 12:47#
vortex
О сверхпроводимости фуллеренов в журнале Nature
"Куперовские пары - частицы со спином 0, т.е. бозоны."
Да, бозоны, но не обязательно ноль. В сверхтекучем гелии-3 куперовские пары обладают спином 1.
06.06.2008 12:37#
vortex
О сверхпроводимости фуллеренов в журнале Nature
Прошу прощения, что долго не мог вам ответить - иногда пытаюсь работать :)
В начале я хотел бы высказать сови соображения относительно графена. Электрон-фононное взаимодействие в графене сильное настолько, что сложно говорить в отдельности о системе элекронов и о системе фононов. Это означает, что по крайней мере, критическая температура должна быть высокой. Допирование графена металлами необходимо, иначе откуда взяться куперовским парам (вы правы, углеродных атомов не достаточно для этого). Если не ошибаюсь, допировать атомы металлов в графен сложно - соединение становится неустойчивым для исследований.
Собственно, какой механизм сверхпроводимости в графене должен быть неизвестно: синглетный (s-волновая сверхпроводимость), триплетный (р), а может быть в силлу двумерной структуры, как у ВТСП и d-тип.
03.06.2008 23:12#
lesnik
О сверхпроводимости фуллеренов в журнале Nature
Да, поправлюсь, расщепляется синглет и триплет не из-за кулоновского взаимодействия, а просто потому что разные орбитали участвуют в обоих состояниях. Ну и наверное то, что электроны образуют синглет ещё не говорит о том, что они находятся в связанном состоянии. Поэтому и переносят они ток независимо, т.е. бозонов как таковых и нет. И данное обстоятельство на сверхпроводимости вроде не должно сказаться. Но если вам есть что дополнить, было бы интересно.
Вести дневник и оставлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи
Логин:
Пароль:
Зарегистрироваться
Последние сообщения
Помощь
Всего дневников: 654

Пользователей
в системе: 2783

Всего записей
и комментариев: 50264

Записей и комментариев
за последние 24 часа: 17

АКТИВНЫЕ ДНЕВНИКИ


 
Энциклопедия | Новости | Блоги | Календарь | Право | Библиотека | Детские вопросы | ЖОБ При поддержке фонда Дмитрия Зимина - Династия