Szupravezető vékony film lehet csapda az atomok számára • Yuri Yerin • Tudományos hírek

Ábra. 1. Az 1. és 2. típusú szupravezetők állapotának fázisdiagramja, amely bemutatja, hogyan változnak a szupravezető fázisai, amikor a külső mágneses mező hőmérséklete és indukciója megváltozik. A Meissner-állam megfelel a szupravezető fázisnak, amikor a mágneses mező vonalak nem tudnak bejutni az anyagba. Egy vegyes vagy örvényes állapot a szupravezetés és a normál nem szuperkonduktív finomszálak együttélését jelenti, amelyek a mágneses mező erővonalai mentén meghosszabbodnak. Az ilyen szálakat nevezzük Abrikosov vortikumoknak vagy kvantumvortikumoknak (lásd a részleteket a szövegben). Rajzolta Yuri Erin

A japán tudósok megmutatták annak lehetőségét, hogy az anyag szupravezető állapotát stabil és stabil mágneses csapdákként alkalmazzák a semleges atomokra, különösen a Bose-Einstein kondenzátumra. A készülék működési elve a mágneses mező néhány szupravezetőbe való behatolásának mechanizmusára épül.

A szupravezetés jelenségének gyakorlati alkalmazásánál elsősorban nagyon erős mágnesek, elektromos kábelek és ultrahangos mágneses térérzékelők - SQUID-ok létrehozásáról beszélnek. Jelenleg a szupravezetők alkalmazási területe jelentősen bővült. Többek között az infravörös sugárzás egyetlen foton detektorának alapvető elemeként használják őket; egy szupravezető film alapján a tudósok javasolják a gravitációs hullámok regisztrálását; A szupravezető csík képes a molekulák energiájának kimutatására nagy hatékonysággal és pontossággal. Végül a szupravezető Josephson-csomópont (kvad-kvantum) alapelemének szétválasztó Josephson csomópontja (két normál fém vagy dielektrikum vékony rétege által elválasztott szupravezetők érintkezése) folytatódik. Vannak más projektek is, ahol az anyagok szupravezetését használják vagy tervezik. Az egyiket megvitatják.

1. és 2. típusú szupravezetők

Kezdeni Idézzük hogy a szupravezetés - nulla ellenállás anyag és a tökéletes diamágnesesség, amely a kiesés és nem penetráció a mágneses mező az anyag belsejében. Ha nagyon helyes, akkor a mágneses mező behatol a szupravezetőbe. De a penetráció mélysége rendkívül kicsi, és a legjobb (néhány anyag esetében) 100 nm-es sorrendben. Ilyen karcsú réteg szupravezető áramok izgatott, hogy segítsen szupravezető pajzs külső mágneses tér, és nem engedte mélyebben bele az anyagba. Ez az oka az ideális diamágnetizmusnak, vagy ahogy ezt a jelenséget is nevezik, a Meissner-Oxenfeld-hatásnak. Az állam a tökéletes diamágnesség szupravezető a tudományos irodalomban is nevezik Meissner és árnyékolás a szupravezető áramok - Meissner.

Ha egy adott hőmérsékleten kezdeni fokozza a mágneses mező, egy bizonyos értéket annak indukciós Bc (kritikus területen) a szupravezetés hirtelen megszűnik, mivel a Meissner áramok már nem képesek, hogy megvédje a szupravezető az invázió egy külső mágneses mező. A szupravezető állapotból származó anyag normális állapotba kerül (1. ábra). Az ilyen módon viselkedő anyagokat az első típusú szupravezetők nevezik. Az első típusú szupravezetők közé tartozik a Mendeleyev periodikus tábla összes szupravezető eleme, kivéve a niobiumot és a vanádiumot.

Ábra. 2. A mágneses tér átjutása a második faj szupravezetőjébe kvantumvortikumok - mikroszkópos normál régiók formájában történik (kék színnel kiemelve) szupravezető keringőáramokkal körülvéve. A vortexek közötti tér szupravezető. Erre a Meissner áramlatok árnyékolására kerül sor. Kép a weboldalról nauka.relis.ru

A második típusú szupravezetőkben a szupravezetés elpusztítása bonyolultabb módon történik, és két lépésben történik (1. Mindaddig, amíg a mágneses mező indukciója nem haladja meg a Bc1-nek nevezett és "alsó kritikus mezőnek" nevezett határértéket, a szupravezető ideális diamágnet, vagyis Meissner állapotban. Miután a mágneses mező túlszárnyalta a Bc1-et. a szupravezető számára energikusan előnyösnek tűnik, hogy magába foglalja saját külső mikroszkópikus "filamentumok" (100 nm nagyságrendű jellegzetes méretű) formáját, amelyek a külső mező ereje mentén nyúlnak ki. Minél nagyobb a mező indukciója, annál jobban fognak ezek a szálak a szupravezetésben. Nagy megnövekedéssel ezek a képződmények olyan örvények, amelyek magjai nem szupravezetőek, normálisak és körülötte szivárgó áramlási áramok áramlanak, amelyek megvédik az örvény normális tartományát (2.

Az örvények létezését 1957-ben Aleksey Abrikosov szovjet fizikus előrejelezte. Azt is kimutatta, hogy az örvények kvantum tárgyak abban az értelemben, hogy mindkettő esetében legalább egy távvezeték egy külső mágneses mező vagy mágneses fluxus kvantum ^ 0 = h / 2e = 2,07 · 10 -15 T · m 2. Mivel a A számításokból következik, hogy a kvantumvortikumok háromszög alakú vortexrácsot képeznek (3. A második fajta szupravezető ilyen állapotát összekeverték vagy vortexnek nevezték.

Ábra. 3. Abrikoszov háromszög alakú vortexrácsának felülnézete a második fajta szupravezetőjében. A fekete töltött körök normál területeket mutatnak. Kép a site elementy.ru oldalról

Tíz évvel az Abrikosov előrejelzése után a szupravezető ólomban dolgozó német tudósok megkapták az első képet egy háromszög alakú rovarhálóról.

Ha egy adott hőmérsékleten tovább növeljük a mágneses tér indukcióját egy bizonyos Bc2 értékre (a felső kritikus mezőre), akkor az örvény olyan nagy lesz, hogy a magok átfedik egymást és teljesítik az anyag teljes térfogatát. Ennek eredményeképpen a kevert állapotból származó szupravezető átáll a normál állapotra.

Jelenleg az 1,5-es típusú szupravezetés csak a magnézium-diboridban található meg. A tudósok azt sugallják, hogy az 1.5-ös típusú szupravezetők magukban foglalják a vas-tartalmú szupravezetőt is Ba0.6 K0.4 Fe2 As2. Eddig azonban ez a hipotézis nem talált kísérleti megerősítést.

A másodrendű szupravezető termomágneses instabilitása

A fent leírt második típusú szupravezetők kevert állapota kissé idealizált. Először is, az örvények szupravezetésben mozoghatnak. Mozgásuk azért merül fel, mert a szitaszívó területek a szitaszövegek között a Meissner áramok szűrésével járnak. Mivel minden egyes vortex hordozza a mágneses fluxus, akkor indul az egyenáram működtetéséhez matematikailag (képlet) hasonlító ható Lorentz-erő egy mozgó töltés. Ez a Lorentz-szerű erő a hullámok eltolódását okozza.

Másodszor, egy háromszög alakú vortex rács csak egy nagyon tiszta szupravezető anyagra van kifejlesztve, strukturális hibák nélkül. Tény, hogy a szupravezetők a 2. típusú változó mértékben, heterogén azok belső szerkezete: léteznek szemcsehatárok szennyeződések, üregek stb áthaladó szupravezető, az örvények is elakad, vagy biztonságossá ilyen hibák ... Az ilyen "ragasztott" örvényeket elnevezik, és magát a "pingálás" jelenséget hívják. A Lorentz-szerű erő és a feszítőerő egyensúlya határozza meg a görcsök stabil helyzetét, amely nem lehet háromszögletű periodikus rács formájában.

A '90 -es évek elején az Advent a nagy felbontású mágneses-optikai mikroszkóp, a tudósok elkezdték aktívan vizsgálni felfedezett 1967 egy nagyon szokatlan jelenség elterjedtsége a mágneses mező szupravezetők egy fa vagy elágazása normál (nem szupravezető) struktúrák mikroszkopikus méretű. Különösen jól fás faalakok képződnek vékony filmekben (4. Később, a mágneses térben a második fajta szupravezető viselkedését termomágneses instabilitásnak nevezték.

Ábra. 4. A magneto-optikai kép dendrites elágazó struktúrák YBaCuO vékonyrétegek hőmérsékleten 4,2 K (a), a MgB2 3,8 K (b) és a 10 K (c). Az a) ábrán a sötét területek megfelelnek az YBaCuO normál állapotának; a (b) és (c) ábrán a normál szakaszok világos területek. Képek az E. Altshuler és T. H. Johansen által a Rev. Mod. Phys.

Számos tanulmány kimutatta, hogy szupravezető fóliák esetében a termomágneses instabilitás előfordulása bizonyos hőmérséklet fölött nem fordul elő, a szupravezető anyagától függően. Például a niobium esetében ez a hőmérséklet 7 K. Ezen felül a szupravezető niobiumban a termomágneses instabilitást soha nem észlelték. A kísérleti adatok nagy száma ellenére a tudósoknak nincs teljes kvantitatív elmélete ennek a jelenségnek. A kutatók egyetértenek abban, hogy csak a termo-instabilitás valószínűleg két okból: 1) a mozgás nezapinningovannyh örvények kíséri hőfejlődés, ami a helyi hőmérséklet-emelkedés ponton penetráció; 2) a hőmérséklet növekedése erőteljesen csökkenti a rögzítőerőt. Ez hozzájárul az örvények további mozgásához. Ennek eredményeképpen egyesülnek és bizarr makroszkopikus struktúrákat alkotnak. Az egész folyamat nagyon gyors, így a tudósok gyakran azt mondják, hogy a mágneses fluxus behatolt a filmbe.

Mágneses csapda a BEC számára

Az anyag Bose-Einstein kondenzációja akkor következik be, amikor nagyon erősen lehűlt (sokkal kisebb, mint 1 K, valójában közel abszolút nulla). Maga a BEC önmagában is nagy tudományos érdeklődést mutat a tudósok számára, mint atomrendszereknek, amelyekben a kvantumhatások ilyen alacsony hőmérsékleten kezdődnek. Annak érdekében, hogy képes legyen megfelelően megvizsgálni a BEC tulajdonságait, speciális csapdákban kell tartani. És bár az atomok semlegesek a töltésükben, legtöbbjük a külső elektronikus héjak jellemzői miatt kis mágnesek, amelyeket mágneses terek tarthatnak. Ehhez a tudósok létrehozzák az erővonalak ilyen konfigurációját, így a teljes mágneses mező lokális minimális indukciója jelenik meg. A BEC-atomok ezt a minimális energiát jól érzékelik, vízzáró és sima falakkal, ahol leesnek (atomok), és nem tudnak gyorsan elmenekülni tőle (lásd még a Java alkalmazást is). A mágneses csapda egyszerű példája két párhuzamos gyűrű kialakítása, ellentétesen irányított árammal.

Külön el kell különíteni a film termomágneses instabilitását. A nióbium kritikus hőmérséklete, a Tc (a hőmérséklet, amelynél az átmenet a normális, hogy a szupravezető állapotba, vagy fordítva) 9 K. A hőmérséklet, amely alatt esetlegesen felmerülő fa struktúra, - 7 ° C Kiderült, hogy a hőmérséklet-tartomány, amelyben az örvény rács nióbium film kiszámítható (háromszög) formában, nagyon kicsi - mindössze 2 K. Ez felveti azt a problémát hőmérséklet-szabályozás: túl erős hűtés destabilizálhatja a mágneses csapda - a mágneses mező miatt kiszámíthatatlan a fa szerkezetek a filmben nem lesznek stabilak és nem rendelkeznek a kívánt minimumnál. Azonban, amint azt a japán kutatók bizonyos arányban mágneses mezők termomágneses instabilitás nem lehet akadályt a stabilitást a mágneses csapda. De erről az alábbiakban.

Úgy tűnik, hogy a mágneses csapda stabilnak kell lennie csak egy nagyon szűk hőmérséklet-tartományban 7-9 K, ahol a film a szupravezető állapotban, és nincs előfordulása a előfeltételeit termomágneses instabilitás (lásd. Fent). Azonban, a japán kutatók felfedezték, hogy alatti hőmérsékleten 7 K ott területén indukciós értékek a külső mágneses terek Bi és Bm. amely alatt a csapda biztonságosan tartja a BEC-t (6. ábra).

Ábra. 6. A határ a régiók között, ahol a BEC tartották rubídium atomok (csapdázási régió), és ahol a mágneses csapda tartottuk nem (nincs-csapdázási régió) függően a Tm hőmérsékleten, és tartalmaz egy második mágneses mező Bm. Háromszögek. különböző színű négyzetek és körök kísérleti adatok. Például pirossal jelölt adatok esetében. a Bi mágneses mező indukciója. amely először bekapcsol, 1,5 mT-en rögzített. Ábra a tárgyalt cikkből a Phys. Rev. Lett.

A kutatók úgy vélik, hogy a "vízválasztó", amely meghatározza, hol működik a mágneses csapda, és ahol nem, a termomágneses instabilitás határait mutatja be. Más szóval, amikor a BEC tartják mágneses mezőt alatti hőmérsékleten 7 K, a lavina mágneses fluxus behatolását a film és alkotó ott fastruktúrák bekövetkezik. Ez azt jelzi, hogy a filmben lévő termomágneses instabilitás kritériumát nem csak a hőmérséklet, hanem a mágneses mező határozza meg. Azok a szakértők azonban, akik ezt a jelenséget tanulmányozták, már korábban is ismerték, valamint a faszerkezet kialakulásának függvénye a film szélességében.

Annak fontosságát, hogy ezt a munkát, hogy megmutatja a használata szupravezető filmek, mint a jó és megbízható csapdák atomok (de még mindig egy szemmel az alapvető jellemzői a viselkedését egy szupravezető mágneses mező).