FIZYKA CIAŁA STAŁEGO Henryk Szymczak

Transkrypt

1 FIZYKA CIAŁA STAŁEGO Henryk Szymczak Instytut Fizyki PAN 1. Wstęp Fizyka ciała stałego jest największym działem fizyki. Uczeni pracujący w tej dziedzinie (i w dziedzinach pokrewnych) otrzymali ponad 20 Nagród Nobla z dziedziny Fizyki i 4 Nagrody Nobla z chemii. Szacuje się, że około 1/3 fizyków zajmuje się fizyką ciała stałego. Dziedzina ta jest ściśle powiązana z wieloma działami fizyki oraz z innymi dyscyplinami naukowymi (takimi jak chemia, biologia, medycyna, elektronika, inżynieria materiałowa). I tak np. rozwijająca się błyskawicznie nanotechnologia, jest tworem fizyki ciała stałego a rozwija się obecnie jako samodzielna dyscyplina na granicach między fizyką, inżynierią materiałową, chemią, biologią, medycyną i innymi naukami. Najlepszym przykładem materiałów ulokowanych na takim pograniczu są fullereny, nanorurki węglowe (i inne) czy robiący obecnie ogromną karierę grafen. Bardzo trudno wyznaczyć moment narodzenia fizyki ciała stałego. Można przyjąć, że badania materiałowe, podstawą których jest fizyka ciała stałego, narodziły się w czasach alchemików. Nowoczesną fizykę ciała stałego wiązać należy, niewątpliwie, z powstaniem mechaniki kwantowej i z rozwojem prac teoretycznych pozwalających przede wszystkim na zrozumienie struktury elektronowej ciał stałych. W okresie przedwojennym, wykorzystując rozwój mechaniki kwantowej zbudowano podstawy teoretyczne fizyki ciała stałego. Wtedy powstała teoria dynamiki sieci krystalicznej (fononów) i sieci magnetycznej (fale spinowe, magnony) oraz opracowano podstawy struktury pasmowej kryształów (wprowadzono pojęcie nośników dziurowych). Rozwinięto bardzo efektywne metody opisu właściwości kryształów w oparciu o teorię grup. Prace eksperymentalne stymulowane były efektywnymi metodami hodowli kryształów. Odkrywcą powszechnie stosowanej do dzisiaj metody otrzymywania monokryształów, nazwaną później metodą Czochralskiego, jest nasz rodak

2 12 Henryk Szymczak Jan Czochralski profesor Politechniki Warszawskiej w okresie międzywojennym. Monokryształy krzemu produkowane metodą Czochralskiego są współcześnie stosowane na masową skalę do produkcji mikroprocesorów. Ogólnie można stwierdzić, gwałtowny rozwój fizyki ciała stałego nastąpił w wyniku opracowania metod wytwarzania (epitaksja z wiązek molekularnych, rozpylanie katodowe, osadzanie chemiczne z fazy gazowej i inne) materiałów nieistniejących w przyrodzie typu cienkich warstw, warstw wielokrotnych, kropek kwantowych i innych układów o obniżonej wymiarowości. Właściwości tych materiałów w wielu przypadkach są zdeterminowane właściwościami powierzchni lub obszarów rozdzielających cienkie warstwy. Bardzo często obszary te, tzw. międzywierzchnie, mają właściwości całkowicie różne od właściwości otaczających je warstw. I tak np. granica między SrTiO 3 i LaAlO 3 okazała się silnie przewodząca, mającą cechy dwuwymiarowego gazu elektronowego. W niskich temperaturach granica ta staje się nadprzewodnikiem, którego temperaturę krytyczną można zmieniać zewnętrznym polem elektrycznym. Do badań struktury elektronowej stosowano bogaty arsenał metod doświadczalnych. Arsenał ten jest nieustannie wzbogacany. Proces ten prowadzi często do powstawania nowych dziedzin nauki. I tak np. wprowadzenie laserów femtosekundowych doprowadziło do powstania intensywnie obecnie rozwijanych badań w dziedzinie femtochemii i femtomagnetyzmu. Nie jest to jedyny przykład powstawania całkowicie nowych kierunków badawczych. I tak na pograniczu fizyki, optyki i elektroniki powstała optoektronika. Za początek rozwoju tej dyscypliny naukowej uważa się wynalezienie (w roku 1962) lasera półprzewodnikowego. Tak więc u narodzin tego kierunku, tak ważnego dla licznych zastosowań technicznych, stała, kolejny raz, fizyka ciała stałego. Z kolei na pograniczu optoelektroniki i nanotechnologii powstała nanofotonika, w której jako źródeł światła wykorzystuje się lasery na kropkach kwantowych. Takie kropki kwantowe składają się z zaledwie kilku tysięcy atomów i emitują światło o energii określonej przez dyskretne stany układu. Coraz częściej w badaniach ciał stałych wykorzystuje się tzw duże urządzenia badawcze (ang. large facilities) takie jak źródła neutronów, źródła promieniowania synchrotronowego, źródła mionów itd. Te urządzenia badawcze nie są, oczywiście,

3 Fizyka ciała stałego 13 tak duże jak urządzenia wykorzystywane w fizyce wysokich energii, fizyce jądrowej czy w pracach nad fuzją termojądrową. Ich rola w pracach badawczych jest też inna niż w przypadku badań jądrowych. Uzupełniają one, najczęściej, badania prowadzone standardowymi technikami, znanymi i stosowanymi od dziesiątków lat. Podobnie jak w fizyce jądrowej czy w fizyce wysokich energii do analizy wyników pomiarów muszą być wykorzystywane coraz efektywniejsze komputery. Chodzi z jednej strony o precyzyjne wyznaczenie struktury krystalicznej i jej różnorakich defektów. Z drugiej strony stosując lasery i promieniowanie synchrotronowe można wykorzystać bardzo szeroki zakres energetyczny promieniowania elektromagnetycznego do poznania struktury elektronowej materiału. Badania teoretyczne korzystają z obu źródeł dla zbudowania modeli wyjaśniających właściwości materiału i bardzo często pozwalające na przewidywanie zmian tych właściwości poprzez zmianę składu chemicznego. W wielu jednak przypadkach przełomowe odkrycia w fizyce ciała stałego wynikają z prac doświadczalnych a nie są wynikiem przewidywań teoretycznych. Najbardziej spektakularnym przykładem ilustrującym tę tezę było odkrycie nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego, którego przyrody dotychczas nie potrafimy wyjaśnić do dnia dzisiejszego. 2. Zjawisko gigantycznego magnetooporu Magnetoopór jest zjawiskiem polegającym na zmianie oporu metali i półprzewodników pod wpływem przyłożonego pola magnetycznego. W przypadku materiałów uporządkowanych magnetycznie magnetoopór ma charakter anizotropowy, gdyż wartość oporu elektrycznego i magnetooporu zależą od kierunku prądu elektrycznego względem kierunku namagnesowania materiału. Jeżeli prąd płynie prostopadle do kierunku namagnesowania to w zasadzie opór elektryczny jest mniejszy niż w przypadku, gdy płynie on wzdłuż kierunku namagnesowania a różnica ta może sięgać kilku procent. Efekt ten jest wykorzystywany do odczytu informacji zapisanej w ośrodku magnetycznym (np. w dyskach magnetycznych). Prawdziwa rewolucja w zapisie magnetycznym informacji nastąpiła w wyniku odkrycia w 1988 roku zjawiska gigantycznego

4 14 Henryk Szymczak magnetooporu (GMR z ang. Giant MagnetoResistance). Wartość zmian oporu w polu magnetycznym (tzw. współczynnik magnetooporu lub magnetorezystywności) wynosi w przypadku gigantycznego magnetooporu kilkadziesiąt procent. Dzięki temu możliwe stało się znaczne zwiększenie gęstości zapisu informacji niemal o dwa rzędy (gęstość ta wzrosła do ponad 100 Gbit/in 2 ; obecnie pracuje się nad gęstościami zapisu przewyższającymi 1 Tbit/in 2 ). Znaczenie tego odkrycia docenił Komitet Noblowski honorując w roku 2007 Alberta Ferta i Petera Grünberga nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki za odkrycie zjawiska gigantycznego magnetooporu. Warto dodać, że jednym z głównych twórców kwantowej teorii GMR był polski fizyk prof. Józef Barnaś współpracujący z grupą Petera Grünberga. Wspomina o tym prof. P. Grynberg w Wykładzie Noblowskim opisując model Camleya Barnasia. Zjawisko GMR polega na powstawaniu bardzo dużego (gigantycznego) magnetooporu w warstwach wielokrotnych typu ferromagnetyk metaliczny/ metal niemagnetyczny. Warstwy takie otrzymuje się najczęściej metodami naparowania z wiązek molekularnych (MBE) lub metodami rozpylania katodowego. W układach tych występuje oddziaływanie wymienne między sąsiednimi warstwami ferromagnetycznymi prowadzące do antyferromagnetycznego uporządkowania warstw magnetycznych. Zewnętrzne pole magnetyczne może zmienić to uporządkowanie na uporządkowanie ferromagnetyczne. Opór układu w konfiguracji ferromagnetycznej jest mniejszy niż w konfiguracji antyferromagnetycznej co skutkuje dużymi zmianami oporu indukowanymi polem magnetycznym (a więc dużym, często-gigantycznym, magnetooporem). Wartość magnetooporu zależy, oczywiście, od grubości warstwy niemagnetycznej i dla dostatecznie grubej warstwy-zanika. Podobny mechanizm magnetooporu może wystąpić w układzie, w którym jedna warstwa ferromagnetyczna jest zamocowana do warstwy antyferromagnetycznej w taki sposób, że dla jej przemagnesowania potrzebne są pola magnetyczne, znacznie przewyższające jej pole koercji. Druga warstwa jest warstwą swobodną, charakteryzującą się niewielkim polem koercji. Zewnętrzne pole magnetyczne może łatwo zmieniać kierunek namagnesowania w warstwie swobodnej, pozostawiając niezmienionym kierunek namagnesowania w warstwie zamocowanej. W ten

5 Fizyka ciała stałego 15 sposób można zrealizować omawianą poprzednio konfigurację równoległą (ferromagnetyczną) i antyrównoległą (antyferromagnetyczną). Można pokazać, że gigantyczny magnetoopór może wystąpić w układach w których nie ma sprzężenia antyferromagnetycznego między warstwami magnetycznymi natomiast warstwy różnią się wartością pola koercji, z tym, że rolę dużej koercji może odgrywać zamocowanie warstwy, czyniące ją nieruchomą. Tego rodzaju układy z zamocowaną jedną warstwą i drugą warstwą magnetycznie miękką (małe pole koercji), zwane zaworami spinowymi, są powszechnie stosowane w nowoczesnych głowicach odczytowych. Zawory spinowe mogą być również wykorzystane jako element pamięci magnetycznej, w której np. konfiguracja równoległa (ferromagnetyczna) odpowiada zapisanej informacji 0, a konfiguracja antyrównoległa odpowiada informacji 1. Zapis informacji polega na wybraniu polem magnetycznym odpowiedniej konfiguracji, natomiast do odczytu wykorzystuje się zjawisko gigantycznego magnetooporu. W ten sposób pracować będą pamięci magnetyczne typu RAM (tzw. MRAM). W pamięciach tych, w przeciwieństwie do półprzewodnikowych pamięci RAM, zapisana informacja jest trwała i nie ginie po wyłączeniu zasilania. W pamięciach MRAM jako element magnetooporowy występuje złącze tunelowe, w którym materiałem przedzielającym warstwy magnetyczne jest, zamiast materiału przewodzącego, izolator (Al 2 O 3 lub MgO). Współczynnik magnetooporu w tym przypadku sięga kilkuset procent. Z technologicznego punktu widzenia, zainteresowanie magnetycznymi złączami tunelowymi wynika nie tylko z dużej wartości współczynnika magnetooporu ale również z możliwości redukcji rozmiarów złącza do rozmiarów submikronowych. Wysoka czułość złączy tunelowych pozwala na konstrukcję sensorów pola magnetycznego wykrywających pole magnetyczne na poziomie pt. Tego typu sensory są wykorzystywane m.in. jako biosensory do analizy DNA. W 1999 roku odkryto możliwość zmiany kierunku namagnesowania (efekt przełączania) w warstwach magnetycznych przy pomocy impulsów prądu elektrycznego. Daje to możliwość zapisu informacji w komórkach pamięci MRAM przy pomocy impulsów pola elektrycznego a nie magnetycznego (generowanego przez prąd elektryczny) co umożliwi dalszą miniaturyzację i zwiększenie efektywności pamięci magnetycznych.

6 16 Henryk Szymczak Od czasu wprowadzenia około roku 1997 czujników wykorzystujących zjawisko GMR jako elementów odczytujących informację zapisaną w pamięciach magnetycznych, pojemność zapisu wzrosła ponad stokrotnie. Jest to zgodne z tzw. empirycznym prawem Moore a, które mówi, że zdolność obliczeniowa komputerów podwaja się w przybliżeniu co 1,5 roku. Prawo to, jak się okazuje dotyczy zarówno pamięci magnetycznych jak i półprzewodnikowych. W przypadku pamięci magnetycznych prawo to niejako narzuca i wymusza prace nad wykorzystaniem innego frapującego odkrycia kolosalnego magnetooporu dla dalszej miniaturyzacji urządzeń informatycznych. Zjawisko kolosalnego magnetooporu występuje głównie tlenkach o strukturze perowskitu przede wszystkim w manganitach. Maksimum magnetooporu w tych materiałach występuje w pobliżu temperatury Curie. Materiałem wyjściowym jest tu zwykle tlenek LaMnO 3 będący izolatorem antyferromagnetycznym. Domieszkowanie tego manganitu, przez wprowadzanie jonów dwuwartościowych np. Ca, Sr czy Ba na miejsce jonów lantanu, generuje mieszaną walencyjność (Mn 3+ i Mn 4+ ) w tym materiale. Ze wzrostem koncentracji domieszek układ przechodzi do fazy metalu ferromagnetycznego wskutek istnienia podwójnej wymiany. Podwójna wymiana odpowiedzialna jest za powstawanie fazy metalicznego ferromagnetyka. Być może za kolosalny magnetoopór odpowiada zjawisko separacji faz (związane np. z jednoczesną obecnością fazy ferromagnetycznej i antyferromagnetycznej o różnym przewodnictwie elektrycznym) na które zewnętrzne pole magnetyczne ma silny wpływ i może zmieniać objętość poszczególnych faz. Współczynnik magnetooporu w przypadku zjawiska kolosalnego magnetooporu jest znacznie większy niż w przypadku gigantycznego magnetooporu. Można więc oczekiwać, że w przyszłości efekt ten znajdzie zastosowanie w głowicach do odczytu informacji oraz w różnego rodzaju sensorach. Można przypuszczać, że wkrótce prawo Moore'a zmusi nas do rezygnacji z elektroniki krzemowej. Stąd poszukiwania dróg wyjścia. Właśnie odkrycie zjawiska gigantycznego magnetooporu i bardzo szybkie wykorzystanie praktyczne tego odkrycia, dało początek nowej dziedzinie wiedzy spintronice stanowiącej taką alternatywę dla elektroniki krzemowej.

7 Fizyka ciała stałego Spintronika (elektronika spinowa) Spintronika jest dziedziną wiedzy powstałą na pograniczu fizyki, nanotechnologii, elektroniki i niektórych elementów wielu innych nauk. Podczas gdy w klasycznej elektronice nośnikiem informacji jest ładunek elektronu, w spintronice wykorzystuje się dodatkowy stopień swobody jakim jest jego spin. Tak więc w spintronice, oprócz manipulowania ładunkiem elektronu, manipuluje się również jego spinem. Celem spintroniki jest zbudowanie przyrządów, które by efekty te wykorzystywały. Największe nadzieje na praktyczną realizację celów spintroniki wiąże się z półprzewodnikami a właściwie z półprzewodnikami charakteryzującymi się właściwościami ferromagnetycznymi czyli z półprzewodnikami magnetycznymi lub z rozcieńczonymi (magnetycznie) półprzewodnikami magnetycznymi. Wykorzystanie tych materiałów pozwoli połączyć możliwości półprzewodników (sterowanie prądem przez napięcie, pobudzanie światłem itd.) z możliwościami metali ferromagnetycznych, których właściwości użytkowe są zmieniane zewnętrznym polem magnetycznym. W rezultacie metody stosowane do określania gęstości i stopnia polaryzacji spinowej nośników w strukturach półprzewodnikowych mogą być wykorzystane do określenia i zmiany namagnesowania w strukturach spintronicznych. Istotnym problemem staje się opracowanie metod efektywnego wstrzykiwania spinowo spolaryzowanych nośników do półprzewodników tak aby polaryzacja nie zanikała zbyt szybko. Z tego punktu widzenia najbardziej atrakcyjnymi okazują się rozcieńczone półprzewodniki magnetyczne typu III-V, których temperatura Curie zależy silnie od koncentracji nośników a koncentracja nośników może być zmieniana przez domieszkowanie, pole elektryczne i światło. Przykładem takich materiałów są rozcieńczone półprzewodniki magnetyczne (In,Mn)As i (Ga,Mn)As. W półprzewodnikach tych Hideo Ohno ze współpracowników wykrył uporządkowanie ferromagnetyczne indukowane nośnikami prądu. Warto w tym miejscu podkreślić, że badania rozcieńczonych półprzewodników magnetycznych rozpoczął pod koniec lat siedemdziesiątych prof. Robert R. Gałązka z Instytutu Fizyki PAN. Model teoretyczny ferromagnetyzmu indukowanego nośnikami w

8 18 Henryk Szymczak półprzewodnikach grupy III V i II VI zawierającymi Mn opracował prof. Tomasz Dietl (Instytut Fizyki PAN oraz Instytut Fizyki Teoretycznej Uniwersytetu Warszawskiego). Jego prace pozwoliły na wyjaśnienie i zrozumienie natury uporządkowania ferromagnetycznego w (Ga, Mn)As oraz przewidzieć istnienie tego uporządkowania w innych rozcieńczonych półprzewodnikach magnetycznych. Model Dietla opisuje ilościowo zarówno wartość temperatury Curie jak i zależność namagnesowania od temperatury i pola magnetycznego a nawet wartość anizotropii magnetycznej. Model ten umożliwia poszukiwanie nowych półprzewodników ferromagnetycznych o punkcie Curie powyżej temperatury pokojowej. Z przewidywań tych wynika m.in. możliwość otrzymania stosunkowo wysokich temperatur Curie w domieszkowanych półprzewodnikach GaN oraz ZnO. Spośród wielu projektowanych urządzeń spintronicznych na szczególną uwagę zasługuje tranzystor spinowy, przypominający ideowo standardowy tranzystor. Tranzystor spinowy to zestaw dwu warstw metalicznych ferromagnetyków przedzielonych materiałem niemagnetycznym. Do warstwy niemagnetycznej wstrzykiwane są nośniki prądu. Przewodnictwo elektryczne układu jest zdeterminowane stopniem polaryzacji nośników i kątem między kierunkami namagnesowania w warstwach ferromagnetycznych. Istotnym problemem ważnym i dla innych urządzeń spintronicznych jest wydajne wstrzykiwanie spolaryzowanych spinowo nośników z materiału ferromagnetycznego do obszaru niemagnetycznego. Profesor Tomasz Dietl wspólnie z Dawidem Awschalomem z Kalifornii i Hideo Ohno z Japonii, otrzymał w 2005 r. prestiżową nagrodę Europejskiego Towarzystwa Fizycznego, Agilent Technologies Europhysics Prize, za pionierskie prace z dziedziny spintroniki półprzewodnikowej. Równolegle z omówioną powyżej spintroniką półprzewodnikową rozwija się nowy kierunek spintroniki, spintronika molekularna, jako część tzw. elektroniki molekularnej. Wykorzystanie organicznych cząsteczek w roli elementów elektronicznych zwiększyć może upakowanie informacji o kilka rzędów wielkości w stosunku do układów krzemowych. Przeprowadzone obliczenia kwantowomechaniczne wskazują na możliwość obserwacji w materiałach molekularnych, w

9 Fizyka ciała stałego 19 szczególności w nanorurkach węglowych, zjawiska gigantycznego magnetooporu, Nanorurki, czyli zwinięte współosiowo płaszczyzny grafitowe, są wytrzymalsze ponad 20-krotnie od stali, przewodzą lepiej i wytrzymują większe prądy od miedzi. Mogą mieć zaledwie 0,6-1,8 nm średnicy, co umożliwia kolejną miniaturyzację urządzeń elektronicznych. Charakteryzują się przewodnictwem metalicznym lub półprzewodnikowym., zależnie m.in. od średnicy nanorurki. Przyłożenie pola magnetycznego równoległego do osi nanorurki zmienia nanorurkę metaliczną w półprzewodnik i na odwrót. Ważnym parametrem, z punktu widzenia zastosowań, jest długi czas życia spinu elektronów w nanorurkach węglowych. W 2005 roku zbudowano przezroczysty i elastyczny węglowy tranzystor wykonany z nanorurek. Pokazano doświadczalnie, że złącze nanorurka metaliczna/nanorurka półprzewodnikowa zachowuje się jak dioda. Inny obiekt, który jest przedmiotem intensywnych badań i ma w perspektywie atrakcyjne zastosowania techniczne to grafen. Grafen, wytworzony z grafitu pirolitycznego, jest kolejną strukturalną odmianę węgla i jest pojedynczą warstwą grafitu o grubości zaledwie jednego atomu, którą można traktować jak rozłożoną na płaszczyźnie nanorurkę. Pomiary transportowe wskazują na właściwości grafenu charakterystyczne dla prawie idealnego dwuwymiarowego gazu elektronowego. Obserwuje się w nim kwantowy efekt Halla i fazę Berry ego. Oczekuje się, że silnie domieszkowany grafem może stać się nadprzewodnikiem w niskich temperaturach. Uwodornienie grafenu daje grafan, będący bardzo dobrym izolatorem. Zarówno grafen jak i grafan znajdą, niewątpliwie, zastosowanie w różnorakich przyrządach nanoelektroniki. Alternatywą dla spintroniki, niezależnie od tego czy jest to spintronika półprzewodnikowa czy molekularna, może być elektronika wykorzystująca multiferroiki. Multiferroiki są materiałami w których występuje jednocześnie więcej niż jeden daleki porządek ferroelektryczny, ferroelastyczny lub ferromagnetyczny. Najczęściej badanym multiferroikiem jest żelazian bizmutu (BiFeO 3 ). Materiał ten jest jednocześnie ferroelektrykiem (T C 1103 K) i antyferromagnetykiem (T N 650 K). W materiałach tego rodzaju polem elektrycznym można zmieniać magnetyzację a polem magnetycznym-polaryzację elektryczną.

10 20 Henryk Szymczak Niedawno odkryto (rok 2009) unikatowe właściwości ścian domenowych w warstwach epitaksjalnych BiFeO 3, nie obserwowane dotychczas w żadnym innym materiale. Udowodniono, że ściany domenowe w cienkich warstwach izolatorów, jakimi są kryształy BiFeO 3, charakteryzują się metalicznym przewodnictwem elektrycznym. Właściwość ta ma, potencjalnie, bardzo duże możliwości wykorzystania praktycznego. W układach z zadaną ilością ścian domenowych charakterystyki I=V (prąd-napięcie) mają postać krzywych schodkowych, zmieniających się wraz ze zmianą liczby przewodzących ścian domenowych. Zaobserwowane zjawisko może być bezpośrednio wykorzystane w operacjach logicznych i pamięciowych, gdyż ilość domen i ścian domenowych jest parametrem kontrolowanym. Jednak najbardziej perspektywicznym wykorzystaniem praktycznym multiferroików jest zastosowanie tych materiałów do zapisu informacji. W porównaniu do standardowych materiałów magnetycznych lub ferroelektrycznych w materiałach multiferroicznych istnieje możliwość zmiany nie tylko zwrotu wektora namagnesowania i polaryzacji, ale możliwość zmiany zwrotu, w jednym materiale, obu tych wektorów. Istnieje więc unikatowa możliwość realizacji 4 stanów logicznych. Najprostszą metodą realizacji tej idei nowej generacji pamięci jest wykorzystanie multiferroików w złączach tunelowych, w których multiferroik umieszczony jest w barierze tunelowej. W literaturze istnieje wiele propozycji praktycznego wykorzystania unikatowych właściwości materiałów multiferroicznych. Dotyczą one m.in. zastosowań w zakresie mikrofalowym w takich podzespołach przestrajanych elektrycznie jak filtry, generatory i przesuwniki fazy. Najbardziej realne wydają się jednak zastosowania multiferroików jako sensorów pola magnetycznego. Jeszcze inną alternatywą dla rozwoju i wykorzystania materiałów spintronicznych jest propozycja zastąpienia prądu elektrycznego - prądem magnetycznym. Propozycja ta, z gatunku fantastyki naukowej, wiąże się z niedawnym odkryciem monopoli magnetycznych (będących magnetycznym analogiem ładunków elektrycznych) w monokryształach Dy 2 Ti 2 O 7. W materiale tym, w niskich temperaturach, występuje magnetyczne uporządkowanie typu lodu spinowego, formalnie przypominające właściwości wiązań chemicznych w lodzie.

11 Fizyka ciała stałego 21 Wzbudzenia magnetyczne tego układu mają postać monopoli magnetycznych. Monopole te, będące kwazicząstkami, nie przypominają hipotetycznych cząstek wprowadzonych w 1931 roku przez P.A.M. Diraca. Istnieją jednak propozycje wykorzystania ich do wytwarzania prądu magnetycznego. 4. Nadprzewodnictwo wysokotemperaturowe Nadprzewodnictwo jest zjawiskiem kwantowym polegającym na całkowitym zaniku stałoprądowego oporu elektrycznego przy jednoczesnym idealnym diamagnetyzmie (zwanym zjawiskiem Meissnera - wypychanie pola magnetycznego z objętości nadprzewodnika) poniżej określonej temperatury zwanej temperaturą krytyczną (T C ). Zjawisko nadprzewodnictwa odkrył w 1911 roku H. Kamerlingh-Onnes. Istnieją dwa rodzaje nadprzewodników. W przypadku nadprzewodników I rodzaju pole magnetyczne wnika do wnętrza nadprzewodnika i niszczy stan nadprzewodzący gdy jego wartość jest większa od pola krytycznego H C. W przypadku nadprzewodników II rodzaju pole magnetyczne wnika do wnętrza nadprzewodnika i tworzy stan mieszany po przekroczeniu pierwszego pola krytycznego H C1 (tzw. dolne pole krytyczne). Powyżej górnego pola krytycznego H C2 nadprzewodnictwo znika. Stan mieszany ma postać wirów tworzących siec Abrikosowa o strukturze heksagonalnej. Właściwości sieci wirów determinują parametry użytkowe nadprzewodnika. Mechanizm odpowiedzialny za zjawisko nadprzewodnictwa wyjaśnili teoretycznie dopiero w roku 1957 J. Bardeen, L. Cooper i J.R. Schrieffer. Według tej teorii (nazywanej teorią BCS), stan nadprzewodzący charakteryzuje się istnieniem sprzężonych par nośników ładunku (par Coopera). W tworzeniu się par elektronów biorą udział wzbudzenia sieci krystalicznej (fonony). Ulegają wtedy zmianie właściwości materiału, gdyż pojedyncze elektrony są fermionami a pary elektronów (pary Coopera) - bozonami. W niskich temperaturach pary Coopera obsadzają (jest to proces kondensacji) najniższy poziom energetyczny, oddzielony od innych poziomów charakterystyczną dla każdego nadprzewodnika przerwą energetyczną. Tak więc nadprzewodnictwo ma charakter kolektywny i jest makroskopowym przejawem właściwości kwantowych. Istotny udział fononów w

12 22 Henryk Szymczak powstawaniu par Coopera, a więc nadprzewodnictwa, jednoznacznie potwierdza występujący w nadprzewodnikach efekt izotopowy (zależność temperatury krytycznej od masy jonów tworzących sieć krystaliczną). Teoria Bardeena, Coopera i Schrieffera, wykorzystywana również w innych działach fizyki, zyskała ogromne uznanie, a jej autorzy otrzymali w 1972 roku Nagrodę Nobla. Nieoczekiwany przewrót w badaniach nadprzewodników nastąpił w 1986 roku, gdy Karl Alex Muller i Johannes Georg Bednorz odkryli nadprzewodnictwo w temperaturze 35 K w ceramicznym tlenku zawierającym lantan, bar i miedź (La- Ba-Cu-O). Przewrót polegał nie tylko na rekordowej wartości temperatury krytycznej, przewyższającej znacznie rekordową dotychczas wartość T C = 23,2 K (dla Nb 3 Ge) osiągniętą w 1973 roku oraz przewyższającą maksymalną wartość T C przewidywaną przez teorię BCS (około 30 K). Zadziwiający był przede wszystkim rodzaj materiału, w którym nadprzewodnictwo zaobserwowano. Tym materiałem był tlenek, w którym koncentrację nośników (dziur) zmieniano zmieniając zawartość jonów tlenu. Wkrótce nadprzewodnictwo zaobserwowano również w innych tlenkach miedziowych i doprowadzono temperaturę krytyczną do wartości ok. 165 K (HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O x w warunkach ciśnienia hydrostatycznego). Omawianą grupę nadprzewodników nazwano nadprzewodnikami wysokotemperaturowymi. Z punktu widzenia zastosowań praktycznych zaletą wielu z nich jest to, że ich temperatury krytyczne T C są wyższe od temperatury wrzenia ciekłego azotu (tj. od ok. 77 K). Okazało się, że nadprzewodniki wysokotemperaturowe różnią się od standardowych nadprzewodników niskotemperaturowych nie tylko wysoką temperaturą krytyczną ale przede wszystkim mechanizmem odpowiedzialnym za nadprzewodnictwo. Większość nadprzewodników wysokotemperaturowych zawiera płaszczyzny miedziowo-tlenowe CuO 2, co czyni te materiały silnie anizotropowymi zarówno w fazie normalnej jak i nadprzewodzącej. Są to więc kwazi- dwuwymiarowe nadprzewodniki. Niedomieszkowane analogi nadprzewodników wysokotemperaturowych są zazwyczaj izolatorami Motta z dalekozasięgowym porządkiem antyferromagnetycznym w dostatecznie niskiej temperaturze. Domieszkowanie stopniowo niszczy ten porządek i indukuje stan metaliczny. Można domniemywać, że mechanizm odpowiedzialny za nadprzewodnictwo w tej grupie materiałów związany jest z fluktuacjami

13 Fizyka ciała stałego 23 antyferromagnetycznymi. Być może należy uwzględnić możliwość sprzężenia tunelowego między płaszczyznami tlenowo - miedziowymi wzmacniającym nadprzewodnictwo w tych płaszczyznach. Dysponujemy już niezwykle bogatym i różnorodnym materiałem doświadczalnym w tej dziedzinie. Tym niemniej nie udało się dotychczas poznać mechanizmu fizycznego odpowiedzialnego za nadprzewodnictwo wysokotemperaturowe. Wiadomo, że nie jest to mechanizm fononowy a przynajmniej mechanizm ten nie jest dominujący. Spośród fizykówteoretyków podejmujących ambitne próby zrozumienia tego mechanizmu istotne wyniki uzyskali uczeni z Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza prof. Roman Micnas i prof. Stanisław Robaszkiewicz. W ostatnich latach odkryto cały szereg bardzo interesujących nadprzewodników. Niektóre z nich, np. MgB 2 są bardzo obiecujące dla zastosowań praktycznych. Kolejną rewolucją w dziedzinie nadprzewodnictwa było odkrycie w 2008 roku kilku rodzin nadprzewodzących pniktydków na bazie żelaza z temperaturami krytycznymi dochodzącymi do 56 K. Materiały te charakteryzują się warstwową strukturę krystalograficzną, bardzo podobną do struktury omawianych powyżej tlenków miedzi, co może sugerować podobne mechanizmy nadprzewodnictwa w obu grupach związków. Nadprzewodniki wysokotemperaturowe są materiałami bardzo interesującymi dla zastosowań technicznych. Ich wysoka temperatura krytyczna sugeruje możliwość wykorzystania tych materiałów do budowy linii przesyłowych dla prądu elektrycznego. Takie idee zrealizowano już w kilku krajach (USA, Dania). Innym kierunkiem ważnych zastosowań technicznych nadprzewodników są pociągi na poduszce magnetycznej MAGLEV (Magnetically Levitated Vehicle) testowane w Japonii, USA i zrealizowane w Chinach (przy współpracy Niemiec). Najszerzej nadprzewodniki wykorzystywane są w magnesach nadprzewodzących stanowiących podstawę tomografów NMR. Nadprzewodniki wykorzystywane są również w elektronice słaboprądowej. W oparciu o zjawisko Josephsona wykorzystuje się je w magnetoencefalografach i konstrukcjach superszybkich procesorów. Z przedstawionego powyżej opracowania wynika, że rozwój fizyki ciała stałego w istotny sposób determinuje rozwój nowoczesnych technologii

14 24 Henryk Szymczak związanych przede wszystkim z zapisem i odczytem informacji. Rozwój technologii nowych nadprzewodników zapewnia, z kolei, ogromne oszczędności energii w wielu dziedzinach techniki. Warto też zwrócić uwagę, że fizyka ciała stałego coraz głębiej wnika do medycyny (tomografia, magnetoencefalografia) między innymi poprzez budowę bardzo czułych sensorów pola magnetycznego.