Superconduttività a temperatura ambiente: presto? Superconduttività a temperatura ambiente e oltre. Conferma sperimentale. V.L. Derunov Cos'è la superconduttività

La superconduttività è uno dei fenomeni più misteriosi, straordinari e promettenti. I materiali superconduttori, che non hanno resistenza elettrica, possono condurre la corrente praticamente senza perdite e questo fenomeno viene già utilizzato per scopi pratici in alcuni settori, ad esempio nei magneti delle macchine per la tomografia nucleare o negli acceleratori di particelle. Tuttavia, i materiali superconduttori esistenti devono essere raffreddati a temperature estremamente basse per raggiungere le loro proprietà. Ma gli esperimenti condotti dagli scienziati quest’anno e lo scorso hanno prodotto alcuni risultati inaspettati che potrebbero cambiare lo stato della tecnologia dei superconduttori.

Un team internazionale di scienziati, guidato da scienziati dell'Istituto Max Planck per la struttura e la dinamica della materia, che lavora con uno dei materiali più promettenti: l'ossido di ittrio-bario-rame superconduttore ad alta temperatura (YBa2Cu3O6+x, YBCO), hanno scoperto che l'esposizione di questo materiale ceramico agli impulsi di luce di un laser a infrarossi fa sì che alcuni atomi del materiale cambino brevemente la loro posizione nel reticolo cristallino, aumentando la manifestazione dell'effetto di superconduttività.

I cristalli del composto YBCO hanno una struttura molto insolita. All'esterno di questi cristalli è presente uno strato di ossido di rame che ricopre gli strati intermedi contenenti bario, ittrio e ossigeno. L'effetto della superconduttività quando irradiato con luce laser si verifica proprio in strati superiori ossidi di rame, in cui avviene la formazione intensiva di coppie di elettroni, le cosiddette coppie di Cooper. Queste coppie possono spostarsi tra gli strati cristallini a causa dell'effetto tunnel, e questo indica la natura quantistica degli effetti osservati. E in condizioni normali, i cristalli YBCO diventano superconduttori solo a temperature inferiori al punto critico di questo materiale.

Negli esperimenti condotti nel 2013, gli scienziati hanno scoperto che puntando un potente laser a infrarossi su un cristallo YBCO, il materiale diventava brevemente un superconduttore a temperatura ambiente. È ovvio che la luce laser influisce sull'adesione tra gli strati di materiale, sebbene il meccanismo di questo effetto non sia del tutto chiaro. E per scoprire tutti i dettagli di ciò che stava accadendo, gli scienziati si sono rivolti alle capacità del laser LCLS, il laser a raggi X più potente fino ad oggi.

“Abbiamo iniziato a colpire il materiale con impulsi di luce infrarossa, che hanno eccitato alcuni atomi, facendoli vibrare con un’ampiezza abbastanza forte”.
- dice Roman Mankowsky, fisico dell'Istituto Max Planck, -“Abbiamo quindi utilizzato un impulso laser a raggi X immediatamente successivo all’impulso laser a infrarossi per misurare l’esatta quantità di spostamento che si è verificata nel reticolo cristallino”.

I risultati hanno mostrato che l’impulso della luce infrarossa non solo eccitava gli atomi facendoli vibrare, ma li faceva anche spostare dalla loro posizione nel reticolo cristallino. Ciò ha ridotto per un tempo molto breve la distanza tra gli strati di ossido di rame e gli altri strati del cristallo, il che a sua volta ha portato ad un aumento della manifestazione dell'effetto di accoppiamento quantistico tra di loro. Di conseguenza, il cristallo diventa un superconduttore a temperatura ambiente, sebbene questo stato possa durare solo pochi picosecondi.

“I risultati che abbiamo ottenuto ci permetteranno di apportare alcune modifiche e migliorare la teoria esistente sui superconduttori ad alta temperatura. Inoltre, i nostri dati forniranno un’assistenza preziosa agli scienziati dei materiali che sviluppano nuovi materiali superconduttori ad alta temperatura con un’elevata temperatura critica”. - dice Roman Mankovsky, -“E alla fine, spero che tutto questo porti al sogno di un materiale superconduttore a temperatura ambiente che non richieda alcun raffreddamento. E l’emergere di un tale materiale, a sua volta, potrebbe fornire una serie di scoperte in moltissime altre aree che sfruttano il fenomeno della superconduttività”.

preso qui - http://zoom.cnews.ru/rnd/news/top/sverhprovodimost_pri_komnatnoj_temperature

Superconduttività a temperatura ambienteI fisici sono riusciti per la prima volta a creare la superconduttività a temperatura ambiente e a spiegare l'essenza di questo fenomeno. La superconduttività è durata in un conduttore ceramico per meno di un secondo, ma questo risultato è enorme nello sviluppo della scienza e della tecnologia. Scienze fisiche naturali

04.12.2014, giovedì, 20:51, ora di Mosca

Un team internazionale di fisici, guidato da scienziati dell'Istituto Max Planck di Amburgo, è riuscito a utilizzare impulsi laser per far sì che i singoli atomi in un reticolo cristallino si spostino per un breve periodo e quindi mantengano la superconduttività. Brevi impulsi laser a infrarossi hanno reso possibile per la prima volta “innescare” la superconduttività in un conduttore ceramico a temperatura ambiente.

Il fenomeno nell'esperimento dura solo pochi milionesimi di microsecondo, ma comprendere il principio della superconduttività a temperatura ambiente può aiutare a creare nuovi tipi di superconduttori che rivoluzioneranno la tecnologia moderna. Tali superconduttori risolveranno molti problemi problemi moderni: consentirà di creare batterie super potenti per alimentare apparecchiature ad alta intensità energetica come laser o azionamenti, motori elettrici e generatori con un'efficienza vicina al 100%, nuovi dispositivi medici, piccoli ma potenti emettitori di microonde, ecc.

La superconduttività è già utilizzata, ad esempio, negli scanner NMR, negli acceleratori di particelle e nei relè ad alta potenza nelle centrali elettriche. Tuttavia, i moderni superconduttori richiedono un raffreddamento criogenico: quelli metallici fino a una temperatura di -273 gradi Celsius e quelli più moderni in ceramica -200 gradi Celsius. È chiaro che ciò limita notevolmente l’uso diffuso della superconduttività, soprattutto nella vita di tutti i giorni.

Sfortunatamente, per molti anni non è stato possibile creare la superconduttività a temperatura ambiente a causa delle condizioni specifiche in cui si verifica. Pertanto, uno dei superconduttori ceramici più promettenti, YBCO (ossido di ittrio bario rame), ha una struttura speciale: sottili doppi strati di ossido di rame si alternano a strati intermedi più spessi che contengono bario, rame e ossigeno. La superconduttività nell'YBCO si verifica a -180 gradi Celsius in doppi strati di ossido di rame, dove gli elettroni possono combinarsi e formare le cosiddette coppie di Cooper. Queste coppie sono in grado di creare un “tunnel” tra diversi strati, cioè di passare attraverso gli strati come fantasmi attraverso i muri. Questo effetto quantistico si osserva solo al di sotto di una certa temperatura.

Nel 2013, un team internazionale che lavorava presso l’Istituto Max Planck ha scoperto che brevi impulsi di un laser IR possono indurre superconduttività nell’YBCO a temperatura ambiente per un tempo molto breve. Non è stato possibile comprendere la natura di questo fenomeno; solo il laser a raggi X più potente del mondo, LCLS (USA), ha aiutato, che consente di “vedere” la struttura atomica del materiale e i processi ultracorti. Con il suo aiuto, gli scienziati hanno condotto una serie di esperimenti complessi e hanno pubblicato i risultati della loro scoperta su Nature.

A quanto pare, un impulso laser a infrarossi non solo fa vibrare gli atomi, ma cambia anche la loro posizione nel cristallo. Di conseguenza, i doppi strati di biossido di rame diventano leggermente più spessi: 2 picometri o 0,01 diametri atomici. Ciò a sua volta aumenta l’accoppiamento quantistico tra i doppi strati a tal punto che il cristallo diventa superconduttore a temperatura ambiente in pochi picosecondi.

Superconduttività a temperatura ambiente: l'eccitazione risonante degli atomi di ossigeno provoca oscillazioni (contorni sfocati) tra doppi strati di ossido di rame (strato blu, giallo rame, rosso ossigeno). Un impulso laser provoca uno squilibrio degli atomi per un breve periodo, la distanza tra gli strati diminuisce e si verifica la superconduttività.

Pertanto, gli scienziati hanno scoperto un potenziale modo per creare superconduttori che funzionino a temperatura ambiente. Se la teoria potesse essere trasformata in una tecnologia commerciale (e nel caso degli attuali superconduttori a bassa temperatura, ci sono voluti circa 20 anni), allora i progressi faranno un enorme passo avanti. I motori delle auto a benzina diventeranno un anacronismo, tempo funzionamento continuo gli smartphone verranno calcolati non in ore, ma in mesi, arriverà il periodo di massimo splendore degli aerei elettrici, dei treni in levitazione e degli autobus a levitazione magnetica.

PS. Se questo è vero e può essere implementato come le lenti in ceramica vengono inserite ovunque ora, allora... c'è una possibilità... ah, se questo è vero...

Un team internazionale di fisici, guidato da scienziati dell'Istituto Max Planck di Amburgo, è riuscito a utilizzare impulsi laser per far sì che i singoli atomi in un reticolo cristallino si spostino per un breve periodo e quindi mantengano la superconduttività. Brevi impulsi laser a infrarossi hanno reso possibile per la prima volta “innescare” la superconduttività in un conduttore ceramico a temperatura ambiente.

Il fenomeno nell'esperimento dura solo pochi milionesimi di microsecondo, ma comprendere il principio della superconduttività a temperatura ambiente può aiutare nella creazione di nuovi tipi di superconduttori che rivoluzioneranno la tecnologia moderna. Tali superconduttori risolveranno molti problemi moderni: creeranno batterie super potenti per alimentare apparecchiature ad alta intensità energetica come laser o azionamenti, motori elettrici e generatori con efficienza prossima al 100%, nuovi dispositivi medici, piccoli ma potenti emettitori di microonde, ecc.

La superconduttività è già utilizzata, ad esempio, negli scanner NMR, negli acceleratori di particelle e nei relè ad alta potenza nelle centrali elettriche. Tuttavia, i moderni superconduttori richiedono un raffreddamento criogenico: quelli metallici fino a una temperatura di -273 gradi Celsius e quelli più moderni in ceramica -200 gradi Celsius. È chiaro che ciò limita notevolmente l’uso diffuso della superconduttività, soprattutto nella vita di tutti i giorni.

Sfortunatamente, per molti anni non è stato possibile creare la superconduttività a temperatura ambiente a causa delle condizioni specifiche in cui si verifica. Pertanto, uno dei superconduttori ceramici più promettenti, YBCO (ossido di ittrio bario rame), ha una struttura speciale: sottili doppi strati di ossido di rame si alternano a strati intermedi più spessi che contengono bario, rame e ossigeno. La superconduttività nell'YBCO si verifica a -180 gradi Celsius in doppi strati di ossido di rame, dove gli elettroni possono combinarsi e formare le cosiddette coppie di Cooper. Queste coppie sono in grado di creare un “tunnel” tra diversi strati, cioè di passare attraverso gli strati come fantasmi attraverso i muri. Questo effetto quantistico si osserva solo al di sotto di una certa temperatura.

Nel 2013, un team internazionale che lavorava presso l’Istituto Max Planck ha scoperto che brevi impulsi di un laser IR possono indurre superconduttività nell’YBCO a temperatura ambiente per un tempo molto breve. Non è stato possibile comprendere la natura di questo fenomeno; solo il laser a raggi X più potente del mondo, LCLS (USA), ha aiutato, che consente di “vedere” la struttura atomica del materiale e i processi ultracorti. Con il suo aiuto, gli scienziati hanno condotto una serie di esperimenti complessi e hanno pubblicato i risultati della loro scoperta su Nature.

A quanto pare, un impulso laser a infrarossi non solo fa vibrare gli atomi, ma cambia anche la loro posizione nel cristallo. Di conseguenza, i doppi strati di biossido di rame diventano leggermente più spessi: 2 picometri o 0,01 diametri atomici. Ciò a sua volta aumenta l’accoppiamento quantistico tra i doppi strati a tal punto che il cristallo diventa superconduttore a temperatura ambiente in pochi picosecondi.

Superconduttività a temperatura ambiente: l'eccitazione risonante degli atomi di ossigeno provoca oscillazioni (contorni sfocati) tra doppi strati di ossido di rame (strato blu, giallo rame, rosso ossigeno). Un impulso laser provoca uno squilibrio degli atomi per un breve periodo, la distanza tra gli strati diminuisce e si verifica la superconduttività.

Pertanto, gli scienziati hanno scoperto un potenziale modo per creare superconduttori che funzionino a temperatura ambiente. Se la teoria potesse essere trasformata in una tecnologia commerciale (e nel caso degli attuali superconduttori a bassa temperatura, ci sono voluti circa 20 anni), allora i progressi faranno un enorme passo avanti. I motori delle auto a benzina diventeranno un anacronismo, il tempo di funzionamento continuo di uno smartphone sarà calcolato non in ore, ma in mesi, e fioriranno gli aerei elettrici, facendo levitare treni e autobus su una levitazione magnetica.

I fisici americani hanno scoperto il comportamento degli elettroni nella cosiddetta fase pseudogap della materia, che precede lo stato di superconduttività.

La superconduttività è la completa scomparsa della resistenza elettrica di una sostanza alla corrente elettrica diretta a una temperatura inferiore alla temperatura critica. L'enorme valore pratico dei superconduttori risiede nell'assenza di perdite di energia elettrica al loro interno quando scorre corrente. Ma il loro utilizzo diffuso è ostacolato da una temperatura critica molto bassa. Per la maggior parte delle sostanze è vicino allo zero assoluto. Fino al 1986 la temperatura più alta era posseduta dalla lega Nb 3 Ge, per la quale la superconduttività si verificava a temperature inferiori a 23 K (-250°). Pertanto, è sorto un importante compito scientifico: trovare sostanze che si trasformino in uno stato superconduttore al massimo alta temperatura, preferibilmente vicino alla temperatura ambiente, che è chiamata superconduttività ad alta temperatura.

Nel 1986 furono scoperti i superconduttori ad alta temperatura (HTSC) a base di ossidi di rame (cuprati) e nel giro di pochi anni la temperatura critica salì a circa 120 K. Queste sostanze hanno però una struttura elettronica molto complessa, il che rende estremamente difficile capire come avviene la transizione verso uno stato superconduttore, senza il quale è impossibile lo sviluppo di superconduttori operanti a temperature più elevate. Da allora, per quasi 30 anni, sono stati condotti complessi esperimenti per studiare questo problema.

In particolare, si è scoperto che lo stato di superconduttività negli HTSC è preceduto da uno stato chiamato “fase pseudogap”. Questo termine è associato a una caratteristica dello spettro energetico degli elettroni in una sostanza (questo è il nome dato all'insieme discreto dei livelli energetici consentiti degli elettroni in un atomo). Gli elettroni con valori energetici bassi si trovano nella banda di valenza, gli elettroni con energia più elevata, capaci di muoversi attraverso la sostanza, si trovano nella banda di conduzione. Nei semiconduttori e nei dielettrici, la banda di valenza e la banda di conduzione sono separate da un intervallo di valori energetici proibiti chiamato “gap”. Per partecipare alla creazione di corrente, un elettrone deve acquisire energia per saltare attraverso il divario tra la banda di valenza e quella di conduzione. Pertanto, maggiore è la larghezza dello spazio, più forti saranno le proprietà isolanti del materiale.

Un gap si forma anche nei superconduttori, ma ha una natura diversa. Quando si verifica la superconduttività, gli elettroni vicini al livello di Fermi formano le cosiddette coppie di Cooper e si stabiliscono al livello di Fermi, e questo livello inizia a separare il divario dai livelli dei singoli elettroni. Il livello di Fermi è determinato dalla temperatura critica.

Si è scoperto che a temperature superiori a quelle critiche, gli HTSC hanno uno stato con un numero minore di portatori di carica vicino al livello di Fermi rispetto a un conduttore convenzionale. Questo fenomeno è chiamato “pseudo-gap”. Questo stato di natura sconosciuta ha sollevato molte domande tra i fisici. Poiché lo stato di pseudogap precede e coesiste parzialmente con (compete con) la superconduttività, gli scienziati ritengono che lo studio di questo stato aiuterà a svelare i misteri dell’HTSC. IN ultimi anni A questo tema sono stati dedicati molti lavori, uno dei quali è stato recentemente pubblicato sulla rivista "Scienza" .

I fisici del Brookhaven National Laboratory e della Cornell University, utilizzando un esclusivo microscopio a effetto tunnel ad alta precisione da loro sviluppato, sono stati in grado di tracciare i dettagli della trasformazione del cuprato da isolante a superconduttore, attraverso lo stadio di pseudogap. La loro configurazione sperimentale ha permesso di determinare la posizione spaziale e la direzione del movimento degli elettroni nel materiale, il che ha permesso di scoprire due nuovi fenomeni.

Nello stato iniziale, il cuprato Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8+ δ in esame è un isolante. Per trasformarlo in HTSC, gli sono stati aggiunti chimicamente atomi di ossigeno come fonte di portatori di carica (lacune). Questo processo è chiamato drogaggio; gli atomi aggiuntivi sono indicati nella formula come “+δ”. I fisici hanno scansionato sistematicamente il materiale per un lungo periodo di tempo a vari livelli di drogaggio per osservare come il comportamento e la disposizione degli elettroni cambiavano man mano che il materiale si evolveva in uno stato superconduttore.

All'aumentare del numero di portatori di carica (livello di drogaggio), il materiale è passato dallo stato dielettrico alla fase di pseudogap. Con una bassa densità di portatori di carica, è stata osservata un'immagine abbastanza statica. Apparve un'esotica disposizione statica periodica di alcuni elettroni, chiamata "onde di densità" o "strisce". Queste onde sembrano strisce di elettroni “congelati”. Le onde di densità, come il movimento degli elettroni, sono limitate a determinate direzioni. Man mano che il numero di cariche aumenta ulteriormente, gli scienziati hanno scoperto che le onde di densità scompaiono e gli elettroni nel materiale diventano liberi di muoversi in qualsiasi direzione. Inoltre, ciò avviene allo stesso livello di doping dell’emergere della pura superconduttività.

"Per la prima volta, l'esperimento ha collegato direttamente la scomparsa delle onde di densità e dei difetti reticolari associati su scala nanometrica alla comparsa di elettroni che fluiscono liberamente in tutte le direzioni necessarie per una superconduttività illimitata", ha affermato l'autore principale Seamus Davis. “Queste nuove misurazioni ci mostrano finalmente perché gli elettroni si muovono meno liberamente nel misterioso stato di pseudogap di questo materiale”.

Davis paragona le osservazioni al volo sopra un fiume ghiacciato, dove è possibile vedere i frammenti statici formati dal ghiaccio mentre si rileva il flusso di acqua liquida. Questi voli vengono effettuati più e più volte durante la primavera, quando il corso d'acqua ghiacciato si scioglie gradualmente. Nel cuprato, invece di aumentare la temperatura, gli scienziati hanno aumentato il livello di doping per “affondare” le onde di densità ad un certo punto critico.

Questa scoperta conferma l’idea di vecchia data secondo cui sono le onde di densità a limitare il flusso di elettroni e a compromettere la massima superconduttività nella fase di pseudogap. "La disposizione statica degli elettroni e le fluttuazioni su scala nanometrica associate compromettono il libero flusso degli elettroni, proprio come il ghiaccio su un fiume compromette il flusso dell'acqua liquida", afferma Davis.

Naturalmente, produrre superconduttori ad alta temperatura non è semplice come sciogliere il ghiaccio, ma questa scoperta fornisce degli indizi. Prevenendo la formazione di bande statiche quando si verificano, alla fine potrebbe essere possibile produrre materiali che agiscono come superconduttori a densità di drogaggio inferiori e a temperature significativamente più elevate, ha affermato Davis.