고온초전도성

High-temperature superconductivity
상온 초전도체와 혼동하지 마십시오.
현재 가장 실용적인 고온 초전도체 중 하나인 bismuth strontium calcium copper oxide (BSCCO)의 샘플.특히, 그것은 희토류를 포함하고 있지 않습니다.BSCCO는 비스무트와 스트론튬을 기반으로 하는 큐프레이트 초전도체입니다.더 높은 작동 온도 덕분에, 컵레이트는 더 일반적인 니오븀 기반의 초전도체와 마그네슘 다이보라이드 초전도체의 경쟁자가 되고 있습니다.

고온 초전도체(약칭c high-T 또는 HTS)는 액체 [1]질소의 끓는점인 77K(-196.2°C; -321.1°F) 이상의 임계 온도(물질이 초전도체로 동작하는 온도 이하)를 가진 물질로 정의됩니다.이들은 이전에 알려진 초전도체에 비해 "고온"일 뿐이며, 절대영도에 가까운 더 차가운 온도에서 작동합니다."고온"은 여전히 주변(실내 온도)보다 훨씬 낮으므로 냉각이 필요합니다.고온 초전도체의 최초의 발견은 1986년 IBM의 연구원인 Georg Bednorz와 K에 의해 발견되었습니다. 알렉스 뮐러.[2][3]임계 온도가 약 35.1 K(-238.1 °C; -396.5 °F)이지만, 이 새로운 유형의 초전도체는 Ching-Wu Chu에 의해 쉽게 수정되어 임계 온도 93 K(-180.2 °C; -292.3 °F)[4]의 최초의 고온 초전도체가 되었습니다.1987년에 [5]초전도성을 발견한 공로로 베드노르츠와 뮐러는 노벨 물리학상을 수상했습니다.대부분의c 하이-T 물질은 타입-II 초전도체입니다.

고온 초전도체의 가장 큰 장점은 액체 [2]질소를 사용하여 냉각할 수 있다는 것인데, 이는 비싸고 다루기 어려운 냉각제(주로 액체 헬륨)를 필요로 하는 이전에 알려진 초전도체와 대조적입니다.하이-Tc 재료의 두 번째 장점은 이전 재료보다 더 높은 자기장에서 초전도성을 유지한다는 것입니다.이것은 초전도 자석을 만들 때 중요합니다. 초전도 자석은 하이-Tc 물질의 주요 응용입니다.

고온 초전도체는 기존에 알려진 금속성 물질이 아닌 세라믹 물질이 대부분입니다.세라믹 초전도체는 몇몇 실용적인 용도로는 적합하지만 여전히 많은 제조 문제를 가지고 있습니다.예를 들어, 대부분의 도자기는 부서지기 쉬운데, 이것은 도자기로부터 와이어를 만드는 것을 매우 [6]어렵게 만듭니다.그러나 이러한 단점을 극복하는 것은 많은 연구가 필요한 과제이며, 현재 진행 [7]중에 있습니다.

고온 초전도체의 주요 종류는 다른 금속과 결합된 구리 산화물, 특히 이트륨 바륨 구리 산화물(YBCO)과 같은 희토류 바륨 구리 산화물(REBCO)입니다.실제 분류에서 고온 초전도체의 두 번째 종류는 철계 [8][9]화합물입니다.마그네슘 디보라이드는 고온 초전도체에 포함되기도 합니다.제조가 비교적 간단하지만 39K(-234.2℃) 이하에서만 초전도가 돼 액체질소 냉각에 부적합합니다.일부 초고압의 과수물 화합물은 일반적으로 고온 초전도체로 분류됩니다.실제로 고온 초전도체에 대한 많은 기사들은 실제 적용하기에는 적합하지 않은 고압가스에 대한 본 연구에서 찾아볼 수 있습니다.현재c T 기록 보유자는 탄소질 황 수소화물이라고 주장되고 있지만, 이들 화합물의 초전도성은 [10]의문시되고 있으며, 데이터 [11]조작에 대한 신뢰할 수 있는 혐의로 발견 논문은 철회되었습니다.

역사

초전도체 발견 연대표.오른쪽에서 액체 질소 온도를 볼 수 있는데, 보통 높은 온도의 초전도체와 낮은 온도의 초전도체를 나눕니다.컵레이트는 파란색 다이아몬드로 표시되고, 철 기반의 초전도체는 노란색 사각형으로 표시됩니다.마그네슘 다이보라이드 및 기타 저온 또는 고압 금속성 BCS 초전도체는 녹색 원으로 표시됩니다.

초전도성은 1911년 Kamerlingh Onnes에 의해 금속 고체에서 발견되었습니다.그 이후로, 연구자들은 상온 [13]초전도체를 발견하는 것을 목표로 온도를[12] 높이는 초전도 현상을 관찰하려고 시도해왔습니다.1970년대 후반까지 초전도성은 몇몇 금속 화합물(특히 NbTi, NbSn3, NbGe3 등)에서 원소 금속보다 훨씬 높은 온도와 심지어 20K(-253.2°C)를 초과할 수도 있는 온도에서 관찰되었습니다.1986년 스위스 취리히 근처의 IBM 연구실에서 Bednorz와 Müller는 새로운 종류의 세라믹, 즉 구리 산화물 또는 구리 비율에서 초전도성을 찾고 있었습니다.Bednorz는 약 35.1 K (-238 °C)[12]의 온도에서 저항이 0으로 떨어지는 특정한 산화구리를 만났습니다.그들의 결과는 곧 휴스턴[14] 대학의 폴 추와 [15]도쿄 대학의 쇼지 다나카와 같은 많은 단체들에 의해 확인되었습니다.

1987년 필립 W. 앤더슨(Philip W. Anderson)은 공명 원자가 결합([16]RVB) 이론을 바탕으로 이 물질들에 대한 최초의 이론적 설명을 했지만, 이 물질들에 대한 완전한 이해는 오늘날에도 여전히 발전하고 있습니다.이 초전도체들은 현재 d파쌍[clarification needed] 대칭을 가지고 있는 것으로 알려져 있습니다.D. E. Bickers, Douglas James Scalapino, R. T. Scalettar에 의해 D. T. Scalettar에 [17]의해 D. E. Bickers에 의해 1987년에 처음으로 제안되었고, 그 뒤에 마사히코 이누이, 세바스찬 도니아흐, Peter J. Hirschfeld 및 Andrei E에 의해 1988년에 세 개의 후속 이론이 제시되었습니다.Ruckenstein,[18] 스핀-변동 이론을 사용하고 Claudius Gros, Didier Poilblanc, Maurice T.밥이랑 FC.장,[19] 가브리엘 코틀리아르와 지알린 류는 d-파동 쌍을 RVB [20]이론의 자연스러운 결과로 식별했습니다.큐프레이트 초전도체의 d파 특성의 확인은 각도 분해 광방출 분광법(ARPES)을 통한 여기 스펙트럼에서 d파 노드의 직접적인 관찰, 터널링 실험에서의 반정수 플럭스의 관찰, 그리고 온도 d로부터의 간접적인 관찰 등 다양한 실험에 의해 이루어졌습니다.침투 깊이, 비열 및 열전도도의 의존성.

2021년 [21]기준으로 주변 압력에서 전이 온도가 가장 높은 초전도체는 수은, 바륨, 칼슘의 컵 속도로 약 133 K (-140 °C)[22]입니다.250K(-23°C)의 란타늄 과수물과 같은 전이 온도가 더 높은 다른 초전도체도 있지만, 이러한 초전도체는 매우 높은 [23]압력에서만 발생합니다.

고온 초전도 현상의 기원은 여전히 명확하지 않지만, 기존의 초전도 현상처럼 전자-포논 인력 메커니즘 대신 (예를 들어 반강자성 상관에 의한) 진정한 전자 메커니즘과 기존의 순수 s파 쌍 대신 더 이국적인 쌍대칭을 다루고 있는 것으로 보입니다.관련된 것으로 간주됩니다(컵 레이트의 경우 d-wave; 주로 확장된 s-wave이지만 철 기반 초전도체의 경우 때때로 d-wave).2014년에 에콜 폴리테크니크 페데랄 드 로잔(EPFL) 과학자들이[24] 앤더슨의 고온 [25]초전도 이론을 지지하는 것을 발견했습니다.

초전도체 선별목록

확인된 초전도체 및 공통냉각제[26] 선정
각각c T

끓는점

 압력. 재료. 메모들
K로 °C로
273.2 0 100kPa 얼음: 대기압에서의 녹는점(공통냉각제, 참고용)
250 −23 170 GPa 라하10[27] 임계 온도가 가장 높은 금속 초전도체
203 −70 155GPa 황화수소(HS2) 고압상 메커니즘이 불명확하고 관찰 가능한 동위원소[28] 효과
194.6 −78.5 100kPa 이산화탄소(건빙):대기압 승화점(공통냉각제, 참고용)
138 −135 Hg12Tl3Ba30Ca30Cu45O127[21] 상대적으로 높은 임계온도를 가지는 산화구리를 사용한 고온초전도체
110 −163 BiSrCaCuO222310(BSCCO)
92 −181 YBaCuO237(YBCO)
87 −186 100kPa 아르곤: 대기압에서의 비등점(공통냉각제, 참고용)
77 −196 100kPa 질소 : 대기압에서의 비등점(공통냉각제, 참고용)
45 −228 SmFeAsO0.85F0.15 임계온도가 비교적 높은 저온 초전도체
41 −232 CeOFeAs
39 −234 100kPa MgB2 대기압에서 상대적으로 높은 임계온도를 가진 금속 초전도체
30 −243 100kPa 라바쿠오2−xx4[29] Bednorz와 Müller에 의해 발견된 최초의 산화구리를 가진 고온 초전도체
27 −246 100kPa 네온(Neon) : 대기압에서의 비등점(공통냉각제, 참고용)
21.15 −252 100kPa 수소 : 대기압에서의 비등점(공통냉각제, 참고용)
18 −255 Nb3Sn[29] 금속 저온 초전도체(metal low-temperature superconductor), 기술적 관련성
9.2 −264.0 NbTi[30]
4.21 −268.94 100kPa 헬륨: 대기압에서의 비등점(저온 물리학의 일반적인 냉각제, 참고용)
4.15 −269.00 Hg(수은)[31] 금속 저온 초전도체
1.09 −272.06 가(갈륨)[31]

특성.

"고온" 초전도체 등급은 많은 정의를 가지고 있습니다.

라벨 high-T는c 액체 질소의 끓는점보다 높은 임계온도를 가진 물질에 대해 예약되어야 합니다.그러나, 최초 발견 및 최근 발견된 pnicide 초전도체를 포함한 많은 물질들은 임계 온도가 77K(-196.2°C) 미만이지만, 그럼에도 불구하고 출판물에서는 일반적으로 high-Tc [32][33]class로 언급됩니다.

높은 임계 자기장과 임계 전류 밀도(초전도성이 파괴되는 이상)와 함께 액체 질소의 끓는점 이상의 임계 온도를 가진 물질은 기술적 응용에 큰 도움이 될 것입니다.자석 응용에서 높은 임계 자기장은 높은c T 자체보다 더 가치가 있습니다.일부 컵레이트의 상한 임계장은 약 100테슬라입니다.그러나, 큐프레이트(cuprate) 재료는 제조 비용이 비싸고 와이어 또는 다른 유용한 형상으로 쉽게 변형되지 않는 부서지기 쉬운 세라믹입니다.또한 고온 초전도체는 크고 연속적인 초전도 도메인을 형성하지 않으며, 초전도가 일어나는 마이크로 도메인의 클러스터를 형성합니다.따라서 자기 공명 [34]분광기용 자석과 같이 실제 초전도 전류가 필요한 용도에는 적합하지 않습니다.이에 대한 해결책(파우더)은 HTS 와이어를 참조합니다.

YBCO,[35] 철계 초전도체, 여러 루테노큐페이트 및 기타 이국적인 초전도체에서 자기 순서와 공존하는 고온 초전도체에 대한 상당한 논쟁이 있었으며, 다른 종류의 물질에 대한 탐색이 계속되고 있습니다.HTS는 Type-II 초전도체로 자기장이 양자화된 플럭스 단위로 내부를 관통할 수 있게 해주는데, 이는 초전도를 억제하기 위해서는 훨씬 더 높은 자기장이 필요하다는 것을 의미합니다.층 구조는 자기장 반응에 방향성 의존성을 주기도 합니다.

알려진 모든c 하이-T 초전도체는 타입-II 초전도체입니다.마이스너 효과로 인해 모든 자기장이 방출되는 제1형 초전도체와 달리, 제2형 초전도체는 자기장이 양자화된 플럭스 단위로 내부를 관통하여 소용돌이라 불리는 초전도 덩어리에서 정상적인 금속 영역의 "구멍" 또는 "관"을 생성합니다.결과적으로, 고-Tc 초전도체는 훨씬 더 높은 자기장을 유지할 수 있습니다.

컵레이트

참고 항목:큐프레이트 초전도체
컵레이트 초전도체의 위상도:반도체를 설명하는 기본 모델과 같이, 그것들은 기본적으로 전자(n)와 홀(p) 도핑된 컵레이트로 나눌 수 있습니다.표준 컵레이트 초전도체인 YBCO와 BSCO는 모두 주목할 [36]만하게 홀 도핑되어 있습니다.

큐프레이트는 구리 산화물의 초전도 층으로 구성되고 스페이서 층으로 분리된 층상 물질입니다.큐프레이트는 일반적으로 2차원 물질에 가까운 구조를 갖습니다.그들의 초전도 특성은 약하게 결합된 구리-산화물(CuO2) 층 내에서 움직이는 전자에 의해 결정됩니다.이웃한 층에는 란탄, 바륨, 스트론튬 등의 이온이 들어 있으며, 구조를 안정화시키고 전자나 정공을 구리-산화물 층에 도핑합니다.도핑되지 않은 "부모" 또는 "어머니" 화합물은 충분히 낮은 온도에서 장거리 반강자성 질서를 갖는 Mott 절연체입니다.단일 대역 모델은 일반적으로 전자 특성을 설명하기에 충분하다고 간주됩니다.

큐프레이트 초전도체는 페로브스카이트 구조를 채택합니다.구리-산화물 평면은 각 사각형의 중심에 Cu 이온이2+ 있는 O 이온의2− 사각형을 가진 바둑판 격자입니다.단위 셀은 이 사각형에서 45° 회전합니다.초전도 물질의 화학식은 일반적으로 초전도에 필요한 도핑을 설명하기 위해 분수를 포함합니다.구리산 초전도체에는 여러 계열이 있으며, 각 초전도 블록에 포함된 원소와 인접한 구리-산화물 층의 수에 따라 분류할 수 있습니다.예를 들어, YBCO 및 BSCCO는 각 초전도 블록(n) 내의 층 수에 따라 "Y123" 및 Bi2201/Bi2212/Bi2223으로 대체적으로 지칭될 수 있습니다.초전도 전이 온도는 각 초전도 블록에서 최적의 도핑값(p=0.16)과 최적의 층수(일반적으로 n=3)에서 최고점을 갖는 것으로 확인되었습니다.

컵레이트의 초전도성에 대한 가능한 메커니즘은 계속해서 상당한 논쟁과 추가적인 연구의 주제가 되고 있습니다.모든 재료에 공통적인 특정 측면이 확인되었습니다.반강자성, 도핑되지 않은 물질의 저온 상태와 도핑 시 나타나는 초전도 상태, 주로 Cu 이온의2+ dx2−y2 오비탈 상태 사이의 유사성은 전자-전자 상호작용이 컵레이트에서 전자-포논 상호작용보다 더 중요하다는 것을 시사하며, 이는 초전도성을 파격적으로 만듭니다.페르미 표면에 대한 최근의 연구는 스핀파가 존재하는 반강자성 브릴루인 영역의 4개 지점에서 둥지가 발생하고 이 지점에서 초전도 에너지 갭이 더 크다는 것을 보여주었습니다.대부분의 컵레이트에 대해 관찰된 약한 동위원소 효과는 BCS 이론에 의해 잘 설명된 기존의 초전도체와 대조됩니다.

홀 도핑된 컵레이트와 전자 도핑된 컵레이트의 특성의 유사점과 차이점:

  • 적어도 최적의 도핑까지는 유사 갭 단계가 존재합니다.
  • 전이 온도와 초유체 밀도를 연관시키는 우에무라 그림의 다양한 경향.런던 침투 깊이의 역제곱은 많은 수의 과소 도핑된 컵레이트 초전도체의 임계 온도에 비례하는 것으로 보이지만, 비례 상수는 정공과 전자 도핑된 컵레이트의 경우 다릅니다.선형 추세는 이 물질들의 물리학이 강력한 2차원임을 의미합니다.
  • 비탄성 중성자 회절을 이용하여 측정된 컵레이트의 스핀 여기에서의 보편적인 모래시계 모양의 특징.
  • 네른스트 효과는 초전도 및 유사 갭 단계 모두에서 명백합니다.
도 1. ARPES에 의해 계산(왼쪽)되고 측정된 이중층 BSCO의 페르미 표면(Fermi surface.점선 직사각형은 첫 번째 Brillouin 영역을 나타냅니다.

초전도 큐레이트의 전자 구조는 매우 이방성입니다(YBCO 또는 BSCCO의 결정 구조 참조).따라서 HTSC의 페르미 표면은 도핑된2 CuO 평면(또는 다층 큐레이트의 경우 다중 평면)의 페르미 표면에 매우 가깝고 CuO2 격자의 2-D 역수 공간(또는 운동량 공간)에 표시될 수 있습니다.도 1(왼쪽)은2 제1 CuO 브릴루인 영역 내의 전형적인 페르미 표면을 보여줍니다.밴드 구조 계산에서 도출하거나 각도 분해 광방출 분광법(ARPES)으로 측정할 수 있습니다.그림 1(오른쪽)은 ARPES에 의해 측정된 BSCO의 페르미 표면을 나타낸 것입니다.정공이 도핑된 HTSC가 초전도인 광범위한 전하 캐리어 농도(도핑 레벨)에서, 페르미 표면은 정공-유사(즉, 도 1에 나타낸 바와 같이 개방됨)입니다.이는 HTSC의 전자적 특성의 고유한 면내 이방성을 초래합니다.2018년, 완전한 3차원 페르미 표면 구조는 부드러운 x선 ARPES로부터 [37]도출되었습니다.

철계

주요 기사:철계 초전도체
철을[38] 이용한 고온 초전도체의 위상도

철 기반의 초전도체는 철과 비소나 인과 같은 pnicogen 층 또는 칼코겐을 포함합니다.이 가족은 현재 임계온도가 컵레이트 다음으로 높은 가족입니다.이들의 초전도 특성에 대한 관심은 2006년 LaFe에서 초전도성이 발견되면서 시작되었습니다.4K(-269.15°C)[39]에서 PO를 수행했으며 2008년 유사 물질 LaFeAs(O,F)[40]가 압력 [41]하에서 최대 43K(-230.2°C)에서 초전도되는 것으로 확인되어 훨씬 더 큰 관심을 끌었습니다.철 기반 초전도체 계열에서 가장 높은 임계 온도는 2014년 [45]100K(-173°C)를 초과하는 임계 온도가 보고된 FeSe [42][43][44]박막에 존재합니다.

최초 발견 이후 철 기반 초전도체의 여러 계열이 등장했습니다.

  • LnFeAs(O,F) 또는 LnFeAsO(Ln=란타니드)는 T가 최대 56K(-167.2 °C)인, 1111 물질로 지칭됩니다.이후 이 물질들의 불소 변종이 유사한c T [46]값으로 발견되었습니다.
  • (Ba,K)철-아르세니드 층 쌍을 갖는 FeAs22 및 관련 물질, 즉 122 화합물.Tc 값의 범위는 최대 38K(-235.2°C)[47][48]입니다.이 물질들은 또한 철이 코발트로 대체되었을 때 초전도를 합니다.
  • LiFeAs 및 NaFeAs는 약 20K(-253.2°C)까지 T를 사용합니다c.이러한 물질들은 화학양론적 조성에 가까운 초전도를 하며 111개의 [49][50][51]화합물로 지칭됩니다.
  • 작은 화학양론적 측정 또는 텔루륨 [52]도핑을 포함한 FeSe.

대부분의 도핑되지 않은 철 기반 초전도체는 큐프레이트 [53]초전도체와 유사하게 낮은 온도에서 자기 순서에 의해 뒤따르는 정방정계-정방정계 구조 상전이를 보여줍니다.그러나 이들은 모트 절연체보다는 금속이 빈약하고 페르미 표면에 [38]1개가 아닌 5개의 띠를 가지고 있습니다.철-아르세니드 층이 도핑됨에 따라 나타나는 위상도는 초전도 위상이 자기 위상에 가깝거나 중첩되어 현저하게 유사합니다.Tc 값이 As-Fe-As 결합 각도에 따라 변한다는 강력한 증거가 이미 나타났고 왜곡되지 않은 [54]FeAs4 사면체로 최적의c T 값을 얻을 수 있음을 보여줍니다.쌍대 파동함수의 대칭성은 여전히 널리 논의되고 있지만, 현재 확장된 s파 시나리오가 선호되고 있습니다.

마그네슘 디보라이드

마그네슘 다이보라이드는 39K(-234.2°C)의c T 값이 역사적으로 BCS 초전도체로 예상되는 값보다 높기 때문에 고온 초전도체로[55] 불리기도 합니다.그러나, 그것은 더 일반적으로 가장c 높은 T 재래식 초전도체로 간주되는데, 페르미 수준에 두 개의 별개의 밴드가 존재함으로써 발생하는c 증가된 T.

탄소 기반

1991년 Hebard 등은 알칼리 금속 원자가 C 분자에 삽입된60 풀러라이드 [56]초전도체를 발견했습니다.

2008년 Ganin 등은 [57]CsC에 대해360 최대 38K(-235.2°C)의 온도에서 초전도성을 입증했습니다.

P-doped Graphane은 2010년 고온 [58]초전도성을 유지할 수 있도록 제안되었습니다.

니켈산염

1999년 아니시모프 등은 니켈산염의 초전도성을 추측하여 니켈산화물을 큐프레이트 [59]초전도체와 직접적인 유사체로 제안했습니다.2019년 말, NdSrNiO라는0.80.22 무한층 니켈산염에서 초전도도가 9~15K(-264.15~-258.15°C)[60][61] 사이의 초전도 전이 온도를 나타냄을 보고했습니다.이 초전도 단계는 SrTiO3 기판에 NdSrNiO를0.80.23 펄스 레이저 증착하여 생성된 산소 환원 박막에서 관찰되며, 이후 [62]CaH가2 있는 경우 533–553K(260–280°C)에서 박막을 어닐링하여 NdSrNiO로0.80.22 환원됩니다.초전도 상은 산소 환원막에서만 관찰되며 동일한 화학양론의 산소 환원 벌크 물질에서는 볼 수 없으며, NdSrNiO0.80.22 박막의 산소 환원에 의해 유도된 변형률이 초전도성을 [63]허용하도록 상 공간을 변화시킴을 시사합니다.CaH를 사용한2 환원에서 접근 수소를 추출하는 것이 더 중요합니다. 그렇지 않으면 전도성 수소가 초전도성을 방지할 수 있습니다.

컵레이트

참고 항목:큐프레이트 초전도체

초전도체인 큐프레이트의 구조는 종종 페로브스카이트 구조와 밀접한 관련이 있으며, 이들 화합물의 구조는 왜곡된 산소 결핍 다층 페로브스카이트 구조로 설명되어 왔습니다.산화물 초전도체의 결정 구조의 특성 중 하나는 이 층들 사이에서 초전도가 일어나는 CuO2 평면의 교대 다층입니다.CuO의2 층이 많을수록 T가 높습니다c.CuO2 시트의 산소 부위에 유도된 구멍에 의해 전류가 전달되기 때문에 이 구조는 정상 전도 및 초전도 특성에 큰 이방성을 유발합니다.전기 전도는 수직 방향보다 CuO2 평면에 평행한 전도도가 훨씬 더 높은 이방성입니다.일반적으로 임계 온도는 화학 조성물, 양이온 치환 및 산소 함량에 따라 달라집니다.초전도 원자층, 와이어, 스페이서층으로 분리된 점 등 다중 대역 및 다중 갭 초전도성을 제공하는 원자 한계에서 초격자의 특정 구현으로 분류될 수 있습니다.

이트륨-바륨 컵레이트

바륨과 이트륨(YBCO)의 구리 비율을 위한 단위 셀

음이온-바륨 컵레이트 YBaCuO237−x (또는 Y123)는 액체 질소 끓는점 위에서 발견된 최초의 초전도체였습니다.이트륨 원자마다 바륨 원자가 2개씩 존재합니다.YBaCuO237 초전도체에서 세 가지 다른 금속의 비율은 각각 이트륨 대 바륨 대 구리의 몰비가 1 대 2 대 3입니다. 이 특정 초전도체는 종종 123 초전도체라고도 불립니다.

YBaCuO의237 단위 셀은 3개의 페로브스카이트 단위 셀로 구성되어 있는데, 이 단위 셀은 가성 입방체, 거의 정방체입니다.다른 초전도 큐레이트는 정방정계 셀을 가지고 있다는 또 다른 구조를 가지고 있습니다.각 페로브스카이트 전지는 중앙에 Y 또는 Ba 원자를 포함합니다: 아래의 단위 전지에 Ba, 중간의 단위 전지에 Y, 그리고 맨 위의 단위 전지에 Ba 원자를 포함합니다.따라서 Y와 Ba는 c축을 따라 [Ba-Y-Ba] 순서로 쌓여 있습니다.단위 셀의 모든 모서리 부위는 산소에 대해 Cu(1)와 Cu(2)의 두 가지 다른 배위를 갖는 Cu에 의해 점유됩니다.산소에는 O(1), O(2), O(3) 및 O(4)[65]의 네 가지 결정학적 부위가 있습니다.산소에 대한 Y와 Ba의 배위 다면체는 다릅니다.페로브스카이트 단위전지의 3배 증가는 9개의 산소 원자를 가지며, YBaCuO는237 7개의 산소 원자를 가지므로 산소결핍 페로브스카이트 구조라고 합니다.구조는 (CuO)(BaO)(CuO)(Y2)(CuO2)(BaO)(CuO)(CuO)(CuO)(CuO)(CuO)(CuO)(CuO)(CuO)(CuO)의 다양한 층으로 적층되어 있습니다.YBaCuO237−x(YBCO) 단위 셀의 주요 특징 중 하나는 두 개의 CuO2 층의 존재입니다.Y 평면의 역할은 두 CuO2 평면 사이의 스페이서 역할을 하는 것입니다.YBCO에서 Cu-O 사슬은 초전도성에 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있습니다.xc ≥ 0.15일 때 92 K (-181.2 °C) 근처에서 최대이며 구조가 정사면체입니다.초전도성은 x ≥ 0.6에서 사라지는데, 여기서 YBCO의 구조적 변환은 정방정계에서 [66]정방정계로 바뀝니다.

기타 컵레이트

비스무트와 스트론튬의 유리율 결정 격자

다른 컵레이트의 준비는 YBCO 준비보다 더 어렵습니다.그들은 또한 다른 결정 구조를 가지고 있습니다: YBCO가 정사각형인 곳에서 그것들은 YBCO가 정사각형입니다.이러한 초전도체의 문제는 유사한 층상 구조를 갖는 3개 이상의 상이 존재하기 때문에 발생합니다.또한 시험된 다른 큐프레이트 초전도체의 결정 구조는 매우 [67]유사합니다.YBCO와 마찬가지로 페로브스카이트 형태의 특징과 단순 산화구리(CuO2) 층의 존재 또한 이러한 초전도체에 존재합니다.그러나 YBCO와는 달리 Cu-O 사슬은 이러한 초전도체에 존재하지 않습니다.YBCO 초전도체는 정방정계 구조를 가지고 있는 반면, 다른c 고-T 초전도체는 정방정계 구조를 가지고 있습니다.

초전도 큐레이트에는 크게 비스무트 기반, 탈륨 기반, 수은 기반의 세 가지 종류가 있습니다.

실질적으로 중요한 두 번째 컵레이트는 현재 Bi-Sr-Ca-Cu-O의 화합물인 BSCO입니다.비스무트와 스트론튬의 함량은 몇 가지 화학적 문제를 일으킵니다.BiSrCaCuO(n=1,2,3)로서 상동계열을 이루는 3개의 초전도 상을 가지고 있습니다.이 세 상은 Bi-2201, Bi-2212 및 Bi-2223으로 각각 20K(-253.2 °C), 85K(-188.2 °C) 및 110K(-163 °C)의 전이 온도를 가지며, 여기서 번호 체계는 Bi Sr, Ca 및 Cu의 원자 수를 [68]각각 나타냅니다.두 상에는 두 개의 전단 결정학 단위 셀로 구성된 정방정계 구조가 있습니다.이 단계들의 단위 셀에는 두 개의 Bi-O 평면이 있는데, 이는 한 평면의 Bi 원자가 다음 연속 평면의 산소 원자 아래에 위치하는 방식으로 쌓여 있습니다.Ca 원자는 Bi-2212 및 Bi-2223에서 CuO2 층의 내부에 층을 형성합니다. Bi-2201 상에는 Ca 층이 없습니다.세 단계는 큐레이트 평면의 수가 서로 다릅니다. Bi-2201, Bi-2212 및 Bi-2223 단계는 각각 1개, 2개 및 3개의2 CuO 평면을 갖습니다.이들 단계의 축 격자 상수는 컵레이트 평면의 수에 따라 증가합니다(아래 표 참조).Cu 원자의 배위는 세 단계에서 다릅니다.Cu 원자는 2201 상에서 산소 원자에 대해 팔면체 배위를 형성하는 반면, 2212 상에서 Cu 원자는 피라미드 배열로 5개의 산소 원자에 의해 둘러싸입니다.2223 구조에서, Cu는 산소에 대해 두 개의 배위를 갖습니다: 하나의 Cu 원자는 사각 평면 배열로 4개의 산소 원자와 결합되고 다른 Cu 원자는 피라미드 [69]배열로 5개의 산소 원자와 배위됩니다.

Tl-Ba-Ca의 컵레이트:하나의 Tl-O 층을 포함하는 Tl 기반 초전도체의 첫 번째 시리즈는 일반적인 공식 TlBaCaCuO인 반면, 두 개의 Tl-O 층을 포함하는 두 번째 시리즈는 n=1, 2, 3인 TlBaCaCuO의 공식을 갖습니다.TlBaCuO226 (Tl-2201)의 구조에서, 적층 순서 (Tl-O) (Tl-O) (Ba-O) (Ca-O) (Tl-O) (Tl-O) (Tl-O) (Tl-O) (Tl-O)를2 갖는 하나의 CuO 층이 있습니다.TlBaCaCuO2228(Tl-2212)에서는 Ca층을 사이에 두고 두 개의 Cu-O층이 있습니다.TlBaCuO226 구조와 유사하게, Tl-O 층은 Ba-O 층 외부에 존재합니다.TlBaCaCuO222310(Tl-2223)에서, 이들 각각 사이에 Ca층을 둘러싸는 3개의 CuO2층이 있습니다.Tl 기반 초전도체에서 T는c CuO 층의 증가에2 따라 증가하는 것으로 나타났습니다.그러나 T의 값은c TlBaCaCuO에서2n−1n2n+3 CuO 4층 이후에2 감소하고, TlBaCaCuO22n−1n2n+4 화합물에서는 CuO [71]3층2 이후에 감소합니다.

Hg-Ba-Ca HgBaCuO24(Hg-1201),[72] HgBaCaCuO226(Hg-1212) 및 HgBaCaCuO2238(Hg-1223)의 결정 구조는 Tl-1201, Tl-1212 및 Tl-1223의 결정 구조와 유사합니다.하나의 CuO2 층을 포함하는 Hg 화합물(Hg-1201)의 T가c 탈륨(Tl-1201)의 1-CuO2 층 화합물에 비해 훨씬 크다는 것은 주목할 만하다.Hg 기반 초전도체에서도 CuO2 층이 증가함에 따라 T가 증가하는 것으로 나타났습니다c.Hg-1201, Hg-1212 및 Hg-1223의 경우c T 값은 아래 표와 같이 주변 압력 134K(-139°C)[73]에서 각각 94, 128 및 기록 값입니다.고압 하에서 Hg-1223의 T가c 153K(-120°C)로 증가하는 것을 관찰하면 이 화합물의 T가c [74]화합물의 구조에 매우 민감하다는 것을 알 수 있습니다.

일부 큐프레이트 초전도체의 초전도온도, 결정구조 및 격자상수
이름. 공식 온도
(K)		 개수
수북이
CuO2 in
단위 전지		 결정구조
Y-123 YBa2Cu3O7 92 2 오르소홈빅
Bi-2201 Bi2Sr2CuO6 20 1 정방정계
Bi-2212 Bi2Sr2CaCu2O8 85 2 정방정계
Bi-2223 Bi2Sr2Ca2Cu3O10 110 3 정방정계
Tl-2201 Tl2Ba2CuO6 80 1 정방정계
Tl-2212 Tl2Ba2CaCu2O8 108 2 정방정계
Tl-2223 Tl2Ba2Ca2Cu3O10 125 3 정방정계
Tl-1234 TlBa2Ca3Cu4O11 122 4 정방정계
Hg-1201 HgBa2CuO4 94 1 정방정계
Hg-1212 HgBa2CaCu2O6 128 2 정방정계
Hg-1223 HgBa2Ca2Cu3O8 134 3 정방정계

조제 및 제조

세라믹 초전도체를 제조하는 가장 간단한 방법은 혼합, 하소 및 소결을 수반하는 고체 상태의 열화학 반응입니다.일반적으로 산화물과 탄산염을 포함한 적절한 양의 전구체 분말을 볼밀(Ball mill)을 사용하여 철저히 혼합합니다.공침법, 동결 건조법, 졸-겔법과 같은 용액 화학 공정은 균질한 혼합물을 제조하는 대안적인 방법입니다.이 분말들은 몇 시간 동안 1,070~1,220 K (800~950 °C)의 온도 범위에서 하소됩니다.분말을 식힌 후 다시 분쇄한 후 하소합니다.이 과정을 여러 번 반복하여 균질한 재료를 얻습니다.분말은 이후에 펠릿으로 압축되고 소결됩니다.온도, 어닐링 시간, 분위기 및 냉각 속도와 같은 소결 환경은 좋은 고-Tc 초전도 물질을 얻는 데 매우 중요한 역할을 합니다.YBaCuO237−x 화합물은 YO, BaCO3 및 CuO의 균질한23 혼합물을 적절한 원자비로 하소 및 소결하여 제조됩니다.소성은 산소 분위기에서 1,070~1,220K(800~950℃)에서 수행되는 반면 소결은 1,220K(950℃)에서 수행됩니다.이 물질에서 산소 화학양론은237−x 초전도 YBaCuO 화합물을 얻는 데 매우 중요합니다.소결시에는, 반도체성 정방정계236 YBaCuO 화합물이 형성되고, 이 화합물은 산소 분위기에서 느리게 냉각되면 초전도 YBaCuO로237−x 바뀝니다.YBaCuO에서는237−x 산소의 흡수와 손실이 가역적입니다.완전히 산소화된 오르토홈빅 YBaCuO237−x 샘플은 진공에서 973K(700°C)[66] 이상의 온도로 가열하여 정방정계 YBaCuO로236 변환할 수 있습니다.

Bi-, Tl- 및 Hg 기반의c high-T 초전도체의 준비는 YBCO 준비보다 더 어렵습니다.이러한 초전도체의 문제는 유사한 층상 구조를 갖는 3개 이상의 상이 존재하기 때문에 발생합니다.따라서 합성 중에 구문적 상호 성장과 적층 결함 등의 결함이 발생하고 단일 초전도 상을 분리하는 것이 어려워집니다.Bi-Sr-Ca-Cu-O의 경우, Bi-2212(Tcc≥85K) 상을 준비하는 것은 비교적 간단한 반면,Bi-2223(T≥110K) 상을 준비하는 것은 매우 어렵습니다.Bi-2212 상은 1,130–1,140 K (860–870 °C)에서 몇 시간 동안 소결한 후에만 나타나지만, Bi-2223 상의 더 큰 분율은 1,140 K (870 °C)[69]에서 일주일 이상의 긴 반응 시간 후에 형성됩니다.Bi-Sr-Ca-Cu-O 화합물에서 Pb의 치환이 고-T상의c [75]성장을 촉진하는 것으로 밝혀졌지만, 여전히 긴 소결 시간이 필요합니다.

진행중인 연구

고온 초전도체에서 초전도성이 어떻게 발생하는지에 대한 문제는 이론적 응축 물질 물리학의 주요 미해결 문제 중 하나입니다.이러한 결정체의 전자가 쌍을 이루게 하는 메커니즘은 알려져 있지 않습니다.집중적인 연구와 많은 유망한 단서에도 불구하고, 지금까지 한 설명은 과학자들을 따돌렸습니다.이에 대한 한 가지 이유는 일반적으로 해당 재료가 매우 복잡하고 다층적인 결정(예: BSCCO)이므로 이론적 모델링이 어렵기 때문입니다.

샘플의 품질과 다양성을 개선하는 것은 또한 기존 화합물의 물리적 특성을 개선하고 종종 T를 증가시키려는c 희망으로 새로운 물질을 합성하는 것을 목표로 하는 상당한 연구를 야기합니다.기술 연구는 [77]응용 분야와 관련하여 HTS 재료의 특성을 최적화할 뿐만 아니라 경제적으로 사용 가능하도록 충분한 양을 만드는 데 초점을 맞추고 있습니다.금속 수소는 상온 초전도체로 제안되었으며, 몇몇 실험적 관측은 마이스너 [78][79]효과의 발생을 감지했습니다.구리가 도핑된 납-아파타이트인 LK-99도 상온 초전도체로 제안된 바 있습니다.

이론모형

고온 또는 비상식 초전도에 대한 대표적인 이론은 두 가지가 있습니다.첫째, 약한 결합 이론은 도핑된 [80]시스템에서 반강자성 스핀 변동으로부터 초전도성이 나타난다는 것을 시사합니다.이 이론에 의하면, 큐프레이트 HTS의 쌍파함수는 d 대칭을x2-y2 가져야 합니다.따라서 쌍파함수가 d-파 대칭을 갖는지를 결정하는 것은 스핀 변동 메커니즘을 시험하기 위해 필수적입니다.즉, HTS 차수 매개변수(긴츠부르크-란다우 이론에서와 같은 짝짓기 파동함수)가 d파 대칭을 가지지 않는다면, 스핀 변동과 관련된 짝짓기 메커니즘은 배제될 수 있습니다. (철 기반 초전도체에서도 비슷한 주장이 제기될 수 있지만, 다른 물질적 특성은 다른 짝짓기 대칭을 허용합니다.)둘째, BCS형(s-wave symmetry) 초전도체로 구성된 층상구조가 그 [81]자체로 초전도도를 높일 수 있는 층간결합 모델이 있었습니다.본 모델은 각 층 사이에 추가적인 터널링 상호작용을 도입하여 순서 매개변수의 이방성 대칭과 HTS의 출현을 성공적으로 설명하였습니다.따라서, 이러한 미정의 문제를 해결하기 위해 광방출 분광법, NMR, 비열 측정 등 수많은 실험이 있어 왔습니다.현재까지 결과는 모호했고, 일부 보고서는 HTS에 대해 d 대칭을 지지한 반면 다른 보고서는 s 대칭을 지지했습니다.이러한 진흙탕 상황은 샘플 품질, 불순물 산란, 트윈닝 등과 같은 실험 문제뿐만 아니라 실험 증거의 간접적인 특성에서 비롯되었을 수 있습니다.

이 요약은 암시적인 가정을 합니다. 초전도 특성은 평균장 이론에 의해 처리될 수 있습니다.초전도 간극 외에 두 번째 간극인 유사 간극이 존재한다는 점도 언급하지 못하고 있습니다.큐프레이트 층은 절연성이고 초전도체는 금속성을 만들기 위해 층간 불순물로 도핑됩니다.초전도 전이 온도는 도펀트 농도를 변화시킴으로써 최대화될 수 있습니다.가장 간단한 예는 LaCuO로24 순수한 경우 절연성을 갖는 CuO와 LaO 층이 번갈아2 가며 구성됩니다.La의 8%가 Sr로 대체되면 후자는 도펀트로 작용하여 CuO2 층에 구멍을 제공하고 샘플을 금속으로 만듭니다.Sr 불순물은 또한 전자 브릿지로 작용하여 층간 결합을 가능하게 합니다.이 그림에서 진행하여 일부 이론은 쿠퍼 쌍을 가진 기존의 초전도체와 마찬가지로 기본적인 짝짓기 상호작용은 여전히 포논과의 상호작용이라고 주장합니다.도핑되지 않은 물질은 반강자성이지만 불순물 도펀트의 몇 %조차도 포논에 의해 야기되는 CuO2 평면에 더 작은 유사 갭을 도입합니다.전하 캐리어가 증가함에 따라 갭이 감소하고, 초전도 갭에 근접함에 따라 갭이 최대치에 도달합니다.그렇다면 높은 전이 온도의 이유는 캐리어의 침투 행동 때문이라고 주장됩니다. 캐리어는 전하 밀도 파동 도메인 벽에 의해 차단될 때까지2 CuO 평면의 금속 도메인에서 주로 지그재그 퍼콜레이션 경로를 따릅니다.도펀트 브리지를 사용하여 인접한 CuO2 평면의 금속 도메인으로 건너갑니다.전이 온도 최대치는 호스트 격자가 약한 결합-휘어지는 힘을 가질 때 도달되며, 이는 층간 [82]도펀트에서 강한 전자-포논 상호작용을 생성합니다.

YBCO에서 D 대칭

액체 질소에 의해 냉각된 고온의 초전도체 위를 떠다니는 작은 자석: 이것은 마이스너 효과의 한 예입니다.

YBaCuO237(YBCO)의 3립 고리의 플럭스 양자화를 기반으로 한 실험은 HTS에서 차수 매개변수의 대칭성을 테스트하기 위해 제안되었습니다.순서 매개 변수의 대칭은 쿠퍼 쌍이 조셉슨 접합 또는 약한 [83]링크를 가로질러 터널을 통과할 때 접합 인터페이스에서 가장 잘 탐색될 수 있습니다.반 정수 플럭스, 즉 자발적 자화는 d 대칭 초전도체의 접합에 대해서만 발생할 수 있다고 예상되었습니다.그러나 접합 실험이 HTS 차수 파라미터의 대칭성을 결정하는 가장 강력한 방법이라 하더라도 그 결과는 모호하였습니다.John R. Kirtley와 C. C. Tsuei는 모호한 결과가 HTS 내부의 결함에서 나온 것이라고 생각하여 깨끗한 한계(결함 없음)와 더러운 한계(최대 결함)를 [84]동시에 고려하는 실험을 설계했습니다.실험에서 자발적 자화는 YBCO에서 명확하게 관찰되었고, 이는 YBCO에서 차수 파라미터의 d 대칭을 지지하였습니다.그러나 YBCO는 정역이기 때문에 본질적으로 s 대칭의 혼합을 가질 수 있습니다.그래서, 그들의 기술을 더 조정함으로써, 그들은 YBCO에 약 3%[85] 이내의 s 대칭의 혼합물이 있다는 것을 발견했습니다.또한, 그들은 정방정계 TlBaCuO에서226 [86]순차x2−y2 매개변수 대칭이 있다는 것을 발견했습니다.

스핀 변동 메커니즘

주요 기사:공명 원자가 결합 이론

이 모든 세월에도 불구하고, 고-Tc 초전도의 메커니즘은 여전히 매우 논란이 많은데, 주로 강하게 상호작용하는 전자 시스템에서 정확한 이론적 계산이 부족하기 때문입니다.그러나 현상학적 및 도표적 접근법을 포함한 대부분의 엄격한 이론적 계산은 이러한 시스템의 페어링 메커니즘으로서 자기 변동에 수렴합니다.정성적인 설명은 다음과 같습니다.

초전도체에서, 전자의 흐름은 개별 전자로 분해될 수 없고, 대신 쿠퍼 쌍이라고 불리는 많은 결합된 전자들로 구성됩니다.기존의 초전도체에서, 이 쌍들은 물질을 통해 이동하는 전자가 주변의 결정 격자를 왜곡할 때 형성되고, 이는 다시 다른 전자를 끌어당겨 결합된 쌍을 형성합니다.이것은 때때로 "물침대" 효과라고 불립니다.각 Cooper 쌍은 일정한 최소 에너지를 필요로 하며, 결정 격자의 열 변동이 이 에너지보다 작으면 에너지를 발산하지 않고 쌍이 흐를 수 있습니다.이러한 전자의 저항 없이 흐르는 능력은 초전도성으로 이어집니다.

높은c T 초전도체에서, 이 메커니즘은 기존의 초전도체와 매우 유사합니다. 단, 이 경우 포논은 사실상 아무런 역할도 하지 못하고, 그 역할은 스핀 밀도파로 대체됩니다.알려진 모든 기존의 초전도체가 강력한 포논 시스템인 것처럼 알려진c 모든 고-T 초전도체는 강한 스핀 밀도의 파동 시스템으로, 예를 들어 반강자석으로 자기 전이 근처에 있습니다.전자가 높은c T 초전도체에서 움직일 때, 전자의 스핀은 그 주위에 스핀 밀도의 파동을 만듭니다.이 스핀 밀도 파동은 근처의 전자가 첫 번째 전자에 의해 생성된 스핀 함몰에 빠지게 합니다(다시 물층 효과).따라서 다시 쿠퍼 쌍이 형성됩니다.계 온도가 낮아지면 더 많은 스핀 밀도파와 쿠퍼 쌍이 생성되어 결국 초전도 현상이 발생합니다.하이-Tc 시스템에서는 이러한 시스템이 쿨롱 상호작용으로 인한 자기 시스템이기 때문에 전자 사이에 강한 쿨롱 반발력이 있음에 유의하십시오.이 쿨롱 반발력은 동일한 격자 부위에 쿠퍼 쌍이 짝을 이루는 것을 막습니다.결과적으로 전자의 짝짓기는 가까운 이웃 격자 부위에서 일어납니다.이것은 소위 d-wave 페어링이라 불리는 것으로, 페어링 상태가 원점에 노드(0)를 가지고 있습니다.

예

주요 기사:초전도체 목록

고-Tc 컵레이트 초전도체의 예로는 액체 질소의 끓는점 이상의 초전도성을 달성하는 가장 알려진 물질인 YBCO와 BSCCO가 있습니다.

대부분의 실용적인 초전도체와 냉각제의 온도, 상압에서의 온도
전이온도 아이템 재질종류
195K(-78°C) 드라이아이스(이산화탄소) – 승화 냉각수
184K(-89°C) 지구상 최저기온 기록 냉각수
110K(-163°C) BSCCO 큐프레이트 초전도체
93K(-180.2°C) YBCO
77K(-196.2°C) 질소 – 비등 냉각수
55K(-218.2°C) SmFeAs(O,F) 철계 초전도체
41K(-232.2°C) CeFeAs(O,F)
26K(-247.2°C) LaFeAs(O,F)
18K(-255.2°C) Nb3Sn 금속 저온 초전도체
3K(-270°C) 헬륨 – 비등 냉각수
3K(-270.15°C) Hg (수은: 최초로 발견된 초전도체) 금속 저온 초전도체

참고 항목

참고문헌

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