Купратные сверхпроводники — это семейство высокотемпературных сверхпроводящих материалов, состоящих из слоев оксидов меди (CuO 2 ), чередующихся со слоями оксидов других металлов, которые действуют как резервуары заряда. При давлении окружающей среды купратные сверхпроводники являются самыми высокотемпературными из известных сверхпроводников. Однако механизм, посредством которого происходит сверхпроводимость, до сих пор не изучен .
Первый сверхпроводник купрат был обнаружен в 1986 году в нестехиометрическом купрате лантана, бария, меди исследователями IBM Георгом Беднорцем и Карлом Алексом Мюллером . Критическая температура для этого материала составила 35 К, что значительно выше предыдущего рекорда в 23 К. [1] Это открытие привело к резкому росту исследований купратов, что привело к тысячам публикаций в период с 1986 по 2001 год. [2] Беднорц и Мюллер были удостоены Нобелевской премии по физике в 1987 году, всего через год после своего открытия. [3]
Начиная с 1986 года было идентифицировано множество купратных сверхпроводников, и на фазовой диаграмме зависимости критической температуры от содержания кислородных дырок и содержания медных дырок их можно разделить на три группы:
Купраты представляют собой слоистые материалы, состоящие из сверхпроводящих плоскостей оксида меди , разделенных слоями, содержащими ионы, такие как лантан , барий , стронций , которые действуют как резервуар заряда, легируя электроны или дырки в плоскостях оксида меди. Таким образом, структура описывается как сверхрешетка сверхпроводящих слоев CuO 2 , разделенных разделительными слоями, что приводит к структуре, часто тесно связанной со структурой перовскита . Сверхпроводимость имеет место внутри слоев оксида меди (CuO 2 ), с лишь слабой связью между соседними плоскостями CuO 2 , что делает свойства близкими к свойствам двумерного материала. Электрические токи протекают внутри слоев CuO 2 , что приводит к большой анизотропии в нормальных проводящих и сверхпроводящих свойствах, с гораздо более высокой проводимостью параллельно плоскости CuO 2 , чем в перпендикулярном направлении.
Критические температуры сверхпроводимости зависят от химического состава, замещения катионов и содержания кислорода. Химические формулы сверхпроводящих материалов обычно содержат дробные числа для описания легирования, необходимого для сверхпроводимости. Существует несколько семейств купратных сверхпроводников, которые можно классифицировать по содержащимся в них элементам и количеству соседних слоев оксида меди в каждом сверхпроводящем блоке. Например, YBCO и BSCCO могут альтернативно называться Y123 и Bi2201/Bi2212/Bi2223 в зависимости от количества слоев в каждом сверхпроводящем блоке ( n ). Было обнаружено, что температура сверхпроводящего перехода достигает пика при оптимальном значении легирования ( p = 0,16) и оптимальном количестве слоев в каждом сверхпроводящем блоке, обычно n = 3.
Нелегированные "родительские" или "материнские" соединения являются изоляторами Мотта с дальним антиферромагнитным порядком при достаточно низких температурах. Однозонные модели обычно считаются достаточными для описания электронных свойств.
Купратные сверхпроводники обычно содержат оксиды меди в обеих степенях окисления 3+ и 2+. Например, YBa 2 Cu 3 O 7 описывается как Y 3+ (Ba 2+ ) 2 (Cu 3+ )(Cu 2+ ) 2 (O 2− ) 7 . Ионы меди 2+ и 3+ имеют тенденцию располагаться в шахматном порядке, явление, известное как упорядочение заряда . [8] Все сверхпроводящие купраты представляют собой слоистые материалы, имеющие сложную структуру, описываемую как сверхрешетка сверхпроводящих слоев CuO 2 , разделенных разделительными слоями, где несоответствие напряжений между различными слоями и легирующими примесями в разделительных слоях вызывает сложную гетерогенность, которая в сценарии суперполосок является неотъемлемой частью высокотемпературной сверхпроводимости.
Сверхпроводимость в купратах считается нетрадиционной и не объясняется теорией БКШ . Возможные механизмы спаривания для сверхпроводимости купратов продолжают оставаться предметом значительных дискуссий и дальнейших исследований. Сходства между низкотемпературным антиферромагнитным состоянием в нелегированных материалах и низкотемпературным сверхпроводящим состоянием, которое возникает при легировании, в первую очередь орбитальным состоянием d x 2 −y 2 ионов Cu 2+ , предполагают, что электрон-фононная связь менее существенна в купратах. Недавние работы по поверхности Ферми показали, что гнездование происходит в четырех точках в антиферромагнитной зоне Бриллюэна , где существуют спиновые волны, и что сверхпроводящая энергетическая щель больше в этих точках. Слабые изотопные эффекты, наблюдаемые для большинства купратов, контрастируют с обычными сверхпроводниками, которые хорошо описываются теорией БКШ.
В 1987 году Филип Андерсон предположил, что суперобмен может действовать как механизм спаривания высокотемпературных сверхпроводников. В 2016 году китайские физики обнаружили корреляцию между критической температурой купрата и размером щели переноса заряда в этом купрате, что подтвердило гипотезу суперобмена. Исследование 2022 года показало, что изменяющаяся плотность фактических куперовских пар в сверхпроводнике висмут-стронций-кальций-медь-оксид соответствует численным прогнозам, основанным на суперобмене. [9] Однако до сих пор нет единого мнения относительно этого механизма, и поиск объяснения продолжается.
Сверхпроводники BSCCO уже имеют широкомасштабные применения. Например, десятки километров сверхпроводящих проводов BSCCO-2223 при 77 К используются в токопроводах Большого адронного коллайдера в ЦЕРНе [10] (но основные полевые катушки используют металлические сверхпроводники с более низкой температурой, в основном на основе ниобия-олова ).