8-ми молекулярный сверхпроводник (BETS)2GaCl4

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 
 
 
 
 
 

Кафедра ПЭ 
 
 
 
 
 
 
 

Реферат

на тему:

8-ми  молекулярный сверхпроводник (BETS)₂GaCl₄ 
 
 
 
 

Выполнил:

маг. гр. ПЭ-05

Зайнуллин Р.Р.

Проверил:

Голенищев-Кутузов В.А. 
 
 
 
 

Казань, 2010 г. 
Оглавление 

      

1. Введение…………………………………………………………………........3
2. Основная часть………………………………………………………………..4
1. История открытия сверхпроводимости…………………………………4
2. 8-ми молекулярный сверхпроводник (BETS)₂GaCl₄ ...………………...5
3. Заключение…………………………………………………………………..14
4. Список использованной литературы……………………………………….15

 

       Введение 

      Чуть  более 10 лет назад в средствах  массовой информации стали упоминаться  такие понятия как "сверхпроводимость", " высокотемпературная сверхпроводимость", "низко - температурная сверхпроводимость" термины, которые ранее обычно употребляли только специалисты - физики. Сообщалось о революционном научном открытии, о прорыве в микроэлектронике и наступлении новой эры в техническом развитии общества.

      Сверхпроводимость - физическое явление, наблюдаемое у некоторых веществ (сверхпроводников), при охлаждении их ниже определенной критической температуры Tс, и состоящее в обращении в нуль электрического сопротивления постоянному току и выталкивания магнитного поля из объема образца (эффект Мейснера).

      С момента открытия сверхпроводимости  создавались всё новые и новые  сверхпроводники. В 2010 году был создан сверхпроводник состоящий всего  из 8 молекул вещества. Это …..

 

       2. Основная часть 

      2.1 История открытия  сверхпроводимости

      В 1911г. голландский физик Х. Камерлинг-Оннес, исследуя электрическое сопротивление ртути при очень низких температурах, неожиданно для себя обнаружил, что при температуре , равной 4,15 К (это приблизительно - 2690С), сопротивление образца вдруг резко упало до нуля, в то время как такие прекрасные проводники, как золото и медь при тех же температурах имели весьма малое, но вполне измеримое остаточное сопротивление(10-9 Ом*см). Это явление Камерлинг-Оннес назвал "сверхпроводимость", а температуру Тс, при которой происходит переход из нормального в сверхпроводящее состояние, - "критической" или "температурой перехода".

      Некоторое время спустя обнаружили, что подобный же эффект наблюдается и в других металлах, например, алюминии, свинце, индии. Из чистых металлов самую высокую Тс имеет ниобий: Тс(Nb)~10 К.

      С течением времени учеными достигался дальнейший рост критических температур сверхпроводников. Правда, медленно, но довольно постоянными темпами (рис.1). И только в 1973 г. была зарегистрирована самая высокая Тс в сплаве ниобия с германием (NbGe) - 23,2 К.

      

      В конце 1986 г. мир облетела сенсационная весть: ученые Ж. Бендорц и К. Мюллер, работающие в Цюрихе в исследовательской  лаборатории известной компьютерной фирмы IBM, сообщили о зафиксированном  ими резком падении сопротивления керамического металлооксидного образца Ba-La-Cu-O при температуре 35К! А вскоре поступило подтверждение других исследователей, в том числе российских, о наблюдении этого явления.

      В первых числах марта 1987 г. стало известно о новом замечательном открытии: в Алабамском и Хьюстонском университетах группой М. К. Ву с сотрудниками на керамике Y-Ba-Cu-O (так называемой иттриевой керамике)была достигнута температура сверхпроводящего перехода Тс~92 К, что гораздо выше температуры кипения жидкого азота (77 К, или -1960С), дешевого и доступного хладагента, производимого промышленностью в больших количествах.

      На  сегодняшний день уже имеются  материалы, в которых температура  перехода в сверхпроводящее состояние  достигает 135 К, и нет оснований  полагать, что это уже предел. [1] 

      2.2 8-ми молекулярный сверхпроводник (BETS)₂GaCl₄ 

      Насколько маленьким может быть сверхпроводник, чтобы еще демонстрировать свои сверхпроводящие свойства? Исследования ученых из США, Германии и Японии на примере органического металла (BETS)₂GaCl₄ (BETS — бисэтилендитиотетраселенафульвален) показали, что сверхпроводимость возникает даже тогда, когда вещество состоит всего лишь из 8 молекул.

      Сверхпроводимостью  называют одновременное существование  в веществе двух явлений: нулевого электрического сопротивления и идеального диамагнетизма — абсолютного непроникновения внешнего магнитного поля вглубь образца (эффект Мейснера–Оксенфельда). Хотя сверхпроводимость была открыта еще в 1911 году, первая модель, хорошо описывающая — качественно и количественно — сопутствующие данному феномену эффекты была построена спустя почти 50 лет в серии работ Джона Бардина, Леона Купера и Джона Шриффера. Впоследствии их теория получила название теории БКШ — по первым буквам фамилий ее создателей. В основе теории БКШ лежит концепция электронных пар, или, как их еще называют, куперовских пар, притягивающихся благодаря опосредованному (через ион) обмену квантами колебаний ионов кристаллической решетки — фононов. Сам процесс формирования куперовских пар получил название электрон-фононного механизма. Электрон-фононный механизм заставляет все электроны проводимости вести себя как единое целое. Именно такая «синхронизация» позволяет им без потерь энергии, а значит, и без сопротивления, протекать через кристаллическую решетку материала.

      Важно понимать, что объединение электронов в пары происходит лишь тогда, когда  температура вещества становится ниже некой сугубо индивидуальной для  каждого материала температуры  — критической температуры Tc. Ниже Tc с веществом на макроскопическом уровне и происходят за счет появления куперовских пар все эти метаморфозы — потеря сопротивления и невосприимчивость к стороннему магнитному полю.

      Однако  не стоит представлять себе куперовскую  пару в виде своеобразной «двухэлектронной молекулы». Размер этой «молекулы» в сверхпроводниках меняется от 0,1 мкм до нескольких нанометров в высокотемпературных сверхпроводниках (ВТСП, о них будет идти речь далее), а значит, пространство между данной парой электронов заполнено гигантским количеством таких же куперовских пар. Тем не менее некоторые характеристики электронных пар Купера являются очень важными параметрами не только в теории БКШ, но и во всей физике сверхпроводимости. Прежде всего, специалистов в области сверхпроводимости интересует энергия связи куперовской пары в расчете на один электрон. Такая величина называется энергетической щелью. Она имеет максимум при абсолютном нуле температур и монотонно уменьшается, достигая нуля при критической температуре. Чем больше величина щели, тем выше Tc сверхпроводника. В теории БКШ есть очень простое соотношение, устанавливающее связь между значениями критической температуры и энергетической щелью.

      Когда в 1986-87-е годы появились сообщения  об открытии ВТСП на основе меди (купратные  ВТСП), стало ясно, что теория БКШ неприменима к описанию сверхпроводимости в таких веществах, но что высокотемпературная сверхпроводимость существует за счет всё тех же куперовских пар электронов. Однако механизм, ответственный за объединение электронов, до конца не ясен и сейчас.

      Открытые  пару лет назад ВТСП на основе железа позволяют надеяться, что одну из главных проблем физики — природу  высокотемпературной сверхпроводимости  — ученые сумеют разрешить. Эти надежды  связаны с тем, что железные ВТСП имеют такую же слоеную кристаллическую структуру, как и купратные сверхпроводники. Можно сказать, что в обоих семействах ВТСП сверхпроводимость имеет выраженный двумерный характер. Иными словами, возникновение куперовских пар в основном происходит на плоскости, в определенных слоях сверхпроводников.

      Поэтому неудивительно, что в последнее  время стало уделяться много  внимания исследованию сверхпроводимости  тонких и ультратонких пленок толщиной в один и более атомарных слоев. За счет такой чрезвычайно малой  толщины материала имитируется  двумерная сверхпроводимость в ВТСП. Именно в таких конструкциях ученые стараются изучить поведение основных микро- и макроскопических сверхпроводящих характеристик: критической температуры и энергетической щели как функции толщины пленок. Буквально десять лет назад специалисты могли лишь теоретизировать и высказывать гипотезы относительно свойств двумерной сверхпроводимости, однако стремительное совершенствование технологических процессов роста пленок позволяет изучить эту проблему уже на практике.

      Приведем  конкретный пример исследования. В статье Superconductivity at the Two-Dimensional Limit, опубликованной в журнале Science в 2009 году [2], экспериментальным образом прослеживается зависимость критической температуры свинцовой пленки от числа его атомарных слоев. На рис. 2 приведены данные, показывающие, как меняется Tc пленки свинца, находящейся на кремниевой подложке, от числа монослоев (слоев атомарной толщины).

       

      Рис. 2. Зависимость критической температуры  свинцовой пленки от числа образующих ее слоев атомарной толщины (монослоев, MonoLayers). [2] 

      Как видим, утолщение пленки приводит к  стабилизации критической температуры  на уровне чуть более 6 К. Для сравнения: Tc «массивного» свинца равна 7 К.

      Ученые  из США, Германии и Японии пошли еще дальше и решили изучить сверхпроводимость в пленке, у которой экстремально малой была бы не только толщина, но также ширина и длина. Фактически они задались вопросом: насколько малым может быть вещество, чтобы в нём могла существовать сверхпроводимость? Результаты их экспериментальных изысканий опубликованы в статье Superconductivity in just four pairs of (BETS)₂GaCl₄ molecules в журнале Nature Nanotechnology [3].

      Ответ на этот вопрос ученые искали в органическом сверхпроводнике (BETS)₂GaCl₄ (рис. 3a). В 1995 году было обнаружено, что этот органический металл становится сверхпроводящим при температуре ниже 8 К (Tc = 8 К). Как оказалось, несмотря на свою низкую критическую температуру (BETS)₂GaCl₄ в некотором смысле можно отождествить с ВТСП: во-первых, его внутренняя структура имеет слоеный характер, а во-вторых, в нём до конца не ясен механизм объединения электронов в куперовские пары (по крайней мере, он точно не электрон-фононный). 

      

      Рис. 3. a — химическая структура бисэтилендитиотетраселенафульвалена (BETS) и хлорида галлия (GaCl4). Цвета атомов: C — черный; S — желтый; Se — розовый; H — белый; Cl — зеленый; Ga — серый. b — изображение монослоя (единичного слоя молекулярной толщины) (BETS)₂GaCl₄ на серебряной подложке (Ag), полученное сканирующим туннельным микроскопом. Для наглядности молекулы (BETS)₂GaCl₄ раскрашены синим цветом, атомы Ag — красным. c — изображение двухслойной «упаковки» молекул (BETS)₂GaCl₄ на серебряной подложке. Справа показана незаконченная «упаковка» — монослой молекул (BETS)₂GaCl₄. Укладка молекул происходила в виде длинных молекулярных цепочек (они показаны светло-синим цветом) с расстоянием между звеньями 0,87 нм (см. подробности в тексте). d — схематический рисунок, иллюстрирующий принцип расположения молекул на подложке. Верхние молекулы (цветные круги) и чуть смещенные относительно них нижние (круги серого цвета) образовывали двухслойную молекулярную цепочку с расстоянием между звеньями по оси y 0,87 нм, при этом сама длина звеньев (по оси x) составляла 3,67 нм. Светло-серые круги соответствуют атомам серебра. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature Nanotechnology.

      Итак, на чистую серебряную подложку 87 на 87 нм в условиях очень высокого вакуума  ученые нанесли вначале один молекулярный слой (BETS)₂GaCl₄ (рис. 3b), а затем поверх первого, с небольшим сдвигом относительно него, второй (рис. 3c). В каждом слое молекулы (BETS)₂GaCl₄ располагались на расстоянии 0,87 нм друг от друга вдоль оси y (см. рис. 3d), образовывая тем самым длинные двухслойные молекулярные цепочки. Длина единичного звена этих цепочек вдоль оси x составляла 3,76 нм. После того как вся конструкция благополучно расположилась на подложке, ее охладили до 5,4 К, то есть до температуры, при которой «массивный» кристалл (BETS)₂GaCl₄ демонстрирует сверхпроводимость. Таким образом, объект был готов для исследования.