NADPRZEWODNIKI WYSOKOTEMPERATUROWE (NWT) W roku 1986 Alex Muller i Georg Bednorz odkryli. miedziowo-lantanowym, w którym niektóre atomy lantanu były

Transkrypt

1 FIZYKA I TECHNIKA NISKICH TEMPERATUR NADPRZEWODNICTWO NADPRZEWODNIKI WYSOKOTEMPERATUROWE (NWT) W roku 1986 Alex Muller i Georg Bednorz odkryli nadprzewodnictwo w złożonym tlenku La 2 CuO 4 (tlenku miedziowo-lantanowym, w którym niektóre atomy lantanu były zastąpione przez atomy baru) z T c =36K. W grudniu 1986 r. odkryto, że zastąpienie baru przez stront podwyższyło temperaturę do 40K. Paul Chu z uniwersytetu w Houston stwierdził, że utrzymanie związku baru pod ciśnieniem podwyższyło temperaturę krytyczną, do 52K. W styczniu 1987 r. Chu ("Physical Review Letters") dokonał dużego kroku naprzód uzyskując związek (YBa 2 Cu 3 O 7-x - podobny do związków lantanu), który był nadprzewodnikiem przy temperaturze wyższej od temperatury ciekłego azotu (T c =90K). Na początku marca 1988 r. odkryto związki talu (Tl 2 Ba 2 Ca 2 Cu 3 O 10 ) o temperaturze krytycznej 118K i 125K.

2 W ostatnich latach uzyskano związki bizmutowe Bi 2 Sr 3 Ca 2 Cu 3 O 10 oraz talowe Tl 2 Ca 2 Ba 2 Cu 3 O 10, które mają temperaturę krytyczną T c =125K. Najwyższą dotychczas potwierdzoną temperaturę krytyczną 135 K obserwuje się w rtęciowych nadprzewodnikach HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8. Temperatury krytyczne wybranych nadprzewodników tlenkowych Rok Materiał T c [K] 1966 K x MoO K x ReO LiTi 2 O Ba(PbBi)O La 2-x Sr x CuO YBa 2 Cu 3 O Tl 2 Ca 2 Ba 2 Cu 3 O Charakterystyka materiałów 1. Budowa warstwowa i duża anizotropia własności fizycznych nadprzewodników wysokotemperaturowych. Z wyjątkiem niektórych materiałów (np. Ba 1-x K x BiO 3 ) nadprzewodniki wysokotemperaturowe zawierają miedź. Jedną z cech charakterystycznych ich budowy jest

3 obecność płaszczyzn CuO 2, które mają dominujący wpływ na większość własności. 2. Metaliczne własności nadprzewodników wysokotemperaturowych. W temperaturze pokojowej przewodnictwo elektryczne jest tego samego rzędu co przewodnictwo niektórych nieuporządkowanych stopów metalicznych. Przewodnictwo ma charakter metaliczny w płaszczyznach miedziowo-tlenowych, w kierunku prostopadłym do płaszczyzny przewodnictwo jest dużo mniejsze i może mieć charakter półprzewodnikowy. 3. Materiały ceramiczne. Pierwsze nadprzewodniki wysokotemperaturowe La 2-x Sr x CuO 4 (LSCO) oraz YBa 2 Cu 3 O 7 (YBCO) zostały otrzymane przez ich odkrywców w postaci ceramicznych pastylek. Jako typowe materiały ceramiczne NWT zawierają ziarna, granice ziarna, zbilźniaczenia, pory i inne niedoskonałości (zawierają ziarna o średnicy kilku µm). Ogranicza to bardzo możliwość przesyłania prądów o dużej gęstości krytycznej.

4 Tl2Ca2Ba2Cu3O10

5 Charakterystyka własności fizycznych Związek YBa 2 Cu 3 O 6 jest izolatorem. Musi być domieszkowany, by stać się metalicznym przewodnikiem, a poniżej T c nadprzewodnikiem. Domieszkowanie polega na zwiększaniu zawartości tlenu dodatkowe atomy tlenu tworzą łańcuchy miedziowo-tlenowe. Jony tlenu przyciągają elektrony z płaszczyzn CuO 2, dzięki czemu przewodnictwo w tych płaszczyznach ma charakter metaliczny. YBCO (YBa 2 Cu 3 O 6+x )jest: izolatorem - gdy 0<x<0,4, nadprzewodnikiem - gdy 0,4<x<1. Zmiany temperatury krytycznej pod wpływem domieszkowania

6 Długość koherencji w przypadku NWT jest (rzędu 10Å) dużo mniejsza niż w nadprzewodniku klasycznym (ξ~ 1/T c ) i jest różna dla różnych kierunków krystalograficznych. Jest to wielkość porównywalna z rozmiarami komórki elementarnej. Struktura YBCO może być schematycznie przedstawiona jako składająca się z dwóch warstw CuO 2 rozdzielonych itrem. Te dwie warstwy rozdzielone są obszarem międzywarstwowym, składającym się z łańcuchów CuO i płaszczyzn BaO. Łańcuchy Cu-O można traktować jako swoisty magazyn ładunku, z którego może on być przekazywany do płaszczyzn CuO 2. Stan normalny NWT Jedną z niezwykłych cech NWT jest to, że niewielka zmiana koncentracji nośników powoduje, że stają się one izolatorami. Zarówno zbyt duża, jak i zbyt mała koncentracja nośników powoduje zanik nadprzewodnictwa. Jakie są własności tych związków powyżej temperatury krytycznej? Podsumowanie 1. Nadprzewodniki wysokotemperaturowe: są to anizotropowe kryształy jonowe o budowie warstwowej, które w zależności od domieszkowania są izolatorami lub

7 nadprzewodnikami o bardzo nietypowych własnościach w stanie normalnym, maja temperatury krytyczne ok. 100K, czyli o rząd większe niż w przypadku nadprzewodników klasycznych, są nadprzewodnikami II rodzaju, tzn. o bardzo małej długości koherencji 10Å i dużej głębokości wnikania 2000 Å. 1. Własności transportowe, charakterystyczne długości i pola krytyczne są silne anizotropowe. Górne pole krytyczne jest rzędu 150T. W cienkich epitaksjalnych warstwach w temperaturze 77K i zerowym polu magnetycznym można otrzymać krytyczne gęstości prądu rzędu 10 7 A/cm Wartość przerwy energetycznej jest rzędu 10meV, co odpowiada energii fotonu o częstości Hz lub długości fali 100µm. 3. Choć wiadomo, że mechanizm fononowy odgrywa pewną rolę, brak jest jednak kompletnej teorii mikroskopowej opisującej nadprzewodnictwo temperaturowe.

8 Jak przygotować YBCO? Dotychczas najlepiej poznanym nadprzewodnikiem wysokotemperaturowym jest związek YBa 2 Cu 3 O 7-x. Otrzymanie tego związku jest stosunkowo proste. Substancjami wyjściowymi są tlenki Y 2 O 3, węglan baru BaCO 3 i tlenek miedziowy CuO. Ważna jest chemiczna czystość tych związków. Należy wziąć masę proporcjonalną do 1 mola Y 2 O 3, 2 mole BaCO 3 i 3 mole CuO. Składniki należy rozgnieść i wymieszać. Mieszaninę ogrzewa się przez godzin w temp ok. 950 o C. Następnie po schłodzeniu materiał ceramiczny ponownie się rozdrabnia i prasuje pod ciśnieniem ok. 150 MPa. Otrzymane pastylki ponownie się ogrzewa w temp. ponad 900 o C przez kilkanaście godzin, a następnie wolno schładza w atmosferze tlenowej. Etap powolnego ochładzania jest bardzo ważny, bo w ok. 700 o C następuje

9 przemiana fazowa, próbka wówczas pochłania tlen niezbędny do utworzenia YBa 2 Cu 3 O 7- x.