Kõrgtemperatuurne ülijuht

Kõrgtemperatuurne ülijuht on materjal, millel avalduvad ülijuhtivad omadused ebaharilikult kõrgetel temperatuuridel. Esimese kõrge kriitilise temperatuuriga (temperatuur, millest madalamatel temperatuuridel algab üleminek normaalfaasist ülijuhtivasse faasi) ülijuhi LaBa2Cu3O7-x avastasid 1986. aastal IBM-i teadlased Georg Bednorz ja Karl Alexander Müller. 1987. aastal pälvisid nad selle suure avastuse eest Nobeli füüsikaauhinna.

Tavaliste ülijuhtide puhul nagu elavhõbe või tina on ülijuhtivasse olekusse ülemineku temperatuurid oluliselt madalamad kui kõrgtemperatuursetel ülijuhtidel. Metalsete ülijuhtide kriitiline temperatuur on vahemikus 0–30 K (−243,2 °C). Kõrgtemperatuursete ülijuhtide puhul on aga täheldatud üleminekutemperatuure ka 138 K (−135 °C) juures. Kuni 2008. aastani arvati, et kõrgtemperatuursete ülijuhtide omadused on vaid kupraatmetallidel (vaskoksiididel põhinevad materjalid), mistõttu tunti neid kui kõrgtemperatuursete ülijuhtide sünonüümi. Nüüdseks on teada juba ka mitmed rauapõhised ühendid, millel on samuti kõrgtemperatuursete ülijuhtide omadused.

Ajalugu

pisi|Heike Kamerlingh Onnes
pisi|Elavhõbeda takistuse sõltuvus temperatuurist
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. Tegelikult aga puudub veel tänapäevalgi täielik arusaam mehhanismist, mis põhjustab kõrget üleminekutemperatuuri nendes materjalides.

+ Valik ülijuhte ja levinud jahutusaineid Kriitiline temperatuur Aine Aineklass (K) (°C) 287,7 ± 1,2 +14,6 ± 1,2 SH3 metaaniga rõhul 267 ± 10 GPa metalliline ülijuht, kõrgeim teada olev kriitiline temperatuur 250 −23 LaH10 rõhul 170 GPa metalliline ülijuht 203 −70 vesiniksulfiidi kõrgrõhufaas rõhul 100…300 GPa mehhanism ebaselge (katsetulemused kõnelevad elektron-foononsidestusega mehhanismist)  194,6 −78,5 süsinikoksiid: sublimatsioonipunkt normaalrõhust madalam (standardne jahutusaine, esitatud võrdluseks) 138 −135 Hg12Tl3Ba30Ca30Cu45O127 kõrgtemperatuursed ülijuhid vaskoksiidiga 110 −163 Bi2Sr2Ca2Cu3O10 (BSCCO) 92 −181 YBa2Cu3O7 (YBCO) 87 −186 argoon: keemispunkt normaalrõhust madalam (jahutusaine, esitatud võrdluseks) 77 −196 lämmastik: keemispunkt normaalrõhust madalam (jahutusaine, esitatud võrdluseks) 45 −228 SmFeAsO0,85F0,15 madalatemperatuurne ülijuht raudarseniidiga (kriitiline temperatuur eriti kõrge) 41 −232 CeOFeAs 39 −234 MgB2 (magneesiumdiboriid) metalliline ülijuht, kõrge kriitiline temperatuur tavalisel ümbrusrõhul 30 −243 La2-xBaxCuO4 Bednorzi ja Mülleri leiutatud esimene kõrgtemperatuurne ülijuht vaskoksiidiga (suhteliselt madala kriitilise temperatuuriga)  27 −246 neoon: keemispunkt normaalrõhust madalam (jahutusaine, esitatud võrdluseks) 21,15 −252 vesinik: keemispunkt normaalrõhust madalam (jahutusaine, esitatud võrdluseks) 18 −255 Nb3Sn tehniliselt suure tähtsusega metallilised madalatempeatuursed ülijuhid 9,2 −263,95 NbTi 4,21 −268,94 heelium: keemispunkt normaalrõhust madalam (standardne jahutusaine madalate temperatuuride füüsikas, esitatud võrdluseks) 4,15 −269,0 elavhõbe  metallilised madalatemperatuursed ülijuhid 1,09 −272,06 gallium

Omadused

Kõrgtemperatuursusel on ülijuhtivuse seisukohast kaks definitsiooni:
Temperatuurid, mis on kõrgemad kui 30 K, mis on BCS-teooria alusel tavaliste ülijuhtide ülemiseks kriitilise temperatuuri piiriks. BCS-teooria on John Bardeeni, Leon N Cooperi ja John Robert Schriefferi välja pakutud esimene mikroskoopilisel tasemel ülijuhtivust kirjeldav teooria, mis kirjeldab ülijuhtivust kui mikroskoopilist efekti, mille on põhjustanud Cooperi paaride bosoniga sarnane olek. Selle eest pälvisid Bardeen, Cooper ja Schrieffer 1972. aastal Nobeli auhinna.
Ülijuhi üleminekutemperatuuri suhe Fermi temperatuuri on palju suurem kui tavaliste ülijuhtide nagu elavhõbe või tina puhul. Fermi temperatuuri juures on Fermi statistikaga seotud soojuslikud efektid võrreldavad kvantefektidega.

Kõrgtemperatuursed ülijuhid on perovskiitidena tuntud keraamiliste materjalide hulka kuuluvad ained. Nad on II-tüüpi ülijuhid ning neil on kõik põhilised ülijuhtide omadused: elektritakistuse puudumine, Meissneri efekt, Josephsoni interferents ja temperatuurist sõltuv lõhe εg (T) lubatud energiatasemete spektris, mis hoiab ära tavapärased elektronide põrke interaktsioonid, mistõttu esineb samasugune ülijuhtiv seisund nagu tavapäraste ülijuhtide puhul. εg on kriitilisel temperatuuril null ja jõuab oma maksimumväärtuseni εg (0) kui temperatuur läheneb nullile. Lisaks sellele on kõrgtemperatuursete kupraatülijuhtide omadused veel kahedimensionaalne juhtivus, lühike koherentsuspikkus (ξ0 iseloomustab Cooperi paaride suurust) nulltemperatuuri juures (ξ0~10 Å), kõrge kriitiline temperatuur (Tc~100 K), kaks energiaauku, II-tüüpi magnetilise käitumisega d-laine sümmeetriaga Cooperi paar, ebaharilik transport- ja magnetiline käitumine ülevalpool kriitilist temperatuuri ning üleminekutemperatuuri sõltuvus lisandite sisaldusest. Tehnoloogiliste rakenduste seisukohalt on väga oluline kõrge Tc. Samuti on oluline kõrge kriitiline magnetväljatugevus Hc, mille ületamisel ülijuhtivus kaob. Kõrge üleminekutemperatuuriga süsteemid tekitavad tänapäeval suurt huvi tehnikas, sest neid saab juba kasutada rakendustes, mille jahutamiseks kasutatakse vedelat lämmastikku (mille temperatuur on 77 K). Kupraadid on II-tüüpi ülijuhid, mis lubavad mingil määral magnetvälja enda sisse. Tänu sellele võib neile rakendada palju tugevamat magnetvälja nii, et nende ülijuhtivad omadused säilivad. See on magnetiliste rakenduste jaoks hea, sest nende puhul on kõrge kriitiline magnetväljatugevus isegi tähtsam kui kõrge kriitiline temperatuur. Mõnede selliste ülijuhtide ülemine kriitiline magnetvälja tugevus ulatub lausa 100 teslani, mis võimaldaks neid rakendada paljudes valdkondades. Sellele vaatamata on kupraatmaterjalid rabedad ning neid on kallis toota ja raske juhtmeteks või muudeks kasulikeks vormideks töödelda.

 Kupraadid 
pisi|Näide kõrgtemperatuursest ülijuhist BSCCO
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).

Viited

Kategooria:Ülijuhtivus