Kõrgtemperatuurne ülijuht

Ajalugu

Ülijuhtivuse avastasid 1911. aastal Heike Kamerlingh Onnes ja tema assistent Gilles Holst, kui nad uurisid madalatel temperatuuridel tahke elavhõbeda elektrijuhtivusomadusi. Nad avastasid, et elavhõbeda alalisvoolu takistus kukub järsult nulli temperatuuril alla 4,2 K. Aasta hiljem avastasid nad, et materjali ülijuhtivad omadused kaovad, kui talle rakendada piisavalt tugev magnetväli või elektrivool. Paljud teadlased tegid ülijuhtivust uurides mitu kümnendit tööd ning 1973. aastaks suudeti tõsta ülijuhtide üleminekutemperatuur 23 K-ni, kui John R. Gavaler avastas ülijuhtivuse Nb₃Ge-s. 13 aastat hiljem, 1986. aastal, toimus suur murrang, mis sillutas tee kõrgtemperatuursete ülijuhtide jaoks: J. G. Bednorz ja K. A. Müller leidsid, et LBCO (oksiidide segu lantaanist, baariumist ja vasest) läheb ülijuhtivasse olekusse ~35 K juures. Bednorzi ja Mülleri avastus oli üllatav ja ärevust pakkuv mitte ainult suure üleminekutemperatuuri tõusu tõttu, vaid ka seetõttu, et see paljastas, et oksiidid moodustavad uue suure potentsiaaliga ülijuhtivate materjalide klassi. Peagi pärast Bednorzi ja Mülleri avastust toimus järgmine suur hüpe, kui avastati "123" materjalide klass (näitena Y₁Ba₂Cu₃O7-δ), mille üleminekutemperatuur jääb ~90 K kanti. Veidi aega pärast seda jõuti BSCCO (vismut, strontsium, kaltsium, vaskoksiid) ja TBCCO (tallium, baarium, kaltsium, vaskoksiid) süsteemide uurimisega veelgi kõrgemate kriitiliste temperatuurideni. Kõikides nendes süsteemides moodustavad vaskoksiidtasandid ühise struktuurielemendi, milles domineerivateks peetakse ülijuhtivuse omadusi. Kuigi täpne Tc sõltub kindla materjali detailsetest omadustest, siis ligikaudu öeldes on YBCO, BSCCO ja TBCCO süsteemides saavutatud kõrgeimad üleminekutemperatuurid vastavalt 93, 110 ja 130 K. Esimesena kirjeldas neid materjale teoreetiliselt P. W. Anderson. Anderson kasutas oma teoreetilises kirjelduses resoneerivate valentssidemete teooriat. Teooria seisneb selles, et vaskoksiidvõres naaberaatomite elektronid interakteeruvad ning moodustavad valentssidemeid, mis neid paigale lukustavad. Kui pärast seda viia materjali lisandeid, siis võivad sedasi lukustatud elektronid käituda liikumisvõimeliste Cooperi paaridena (madalal temperatuuril elektroni-foononi interaktsiooni või mõne muu elektronmehhanismi tulemusel tekkinud elektronide paar), mis on võimelised materjalis tekitama ülijuhtivuse. Tegelikkuses aga puudub veel tänapäevalgi täielik arusaam mehhanismist, mis põhjustab kõrget üleminekutemperatuuri nendes materjalides.

Kupraadid

Kupraatülijuhtideks peetakse üldjuhul kvaasi kahedimensionaalseid materjale, mille ülijuhtivad omadused tulenevad elektronide liikumisest nõrgalt paardunud vaskoksiidi (CuO₂) kihtides. Naaberkihid, mis sisaldavad erinevaid ioone, nagu lantaan, baarium, strontsium, ning teisigi aatomeid, stabiliseerivad struktuuri ja lisavad elektrone või auke vaskoksiidi kihtidele. Lisanditeta algelemendid on tavaliselt isolaatorid, millel esineb piisavalt madalatel temperatuuridel kaugele ulatuv antiferromagnetiline korrapära. Elektronide omaduste kirjeldamiseks peetakse sageli piisavaks ühe energiatasemega mudeli kasutamist. Kupraatülijuhtide vaskoksiidi tasanditel on ruumkeskendatud struktuur, kus sõlmpunktides asuvad O²⁻ ioonid ja iga võreelemendi keskel Cu²⁺ ioon. Vajaminevate lisandite kirjeldamiseks sisaldavad ülijuhtivate materjalide keemilised valemid üldjuhul ratsionaalarve. On olemas mitu haru kupraatülijuhte, mida saab liigitada neis sisalduvate elementide kaudu. Samuti liigitatakse neid igas ülijuhtivas plokis kõrvuti olevate vaskoksiidkihtide arvukuse järgi. On kindlaks tehtud, et ülijuhtivasse olekusse mineku temperatuur on oma maksimumi juures, kui lisandite sisaldus ülijuhis on optimaalne (p=0,16). Samuti peab olema igas ülijuhtivas plokis optimaalne kihtide arv (tavaliselt n=3).