الموصل الفائق النحاسي

📅 آخر تحديث: ٢٨ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٨ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 8 صور
الموسوعة الحرة

الموصلات الفائقة النحاسية هي عائلة من المواد فائقة التوصيل ذات درجة الحرارة العالية والمصنوعة من طبقات من أكاسيد النحاس ( CuO).٢ ) تتناوب مع طبقات من أكاسيد معدنية أخرى، والتي تعمل كمستودعات للشحنة. عند الضغط الجوي،الموصلات الفائقةأعلى الموصلات الفائقة المعروفة من حيث درجة الحرارة.

مخطط طور الموصلات الفائقة النحاسية: يمكن تقسيمها أساسًا إلى موصلات نحاسية مطعمة بالإلكترونات ( n ) وموصلات نحاسية مطعمة بالفجوات ( p )، كما هو الحال في النماذج الأساسية التي تصف أشباه الموصلات . ومن الجدير بالذكر أن كلا الموصلين الفائقين النحاسيين القياسيين، YBCO وBSCCO، مطعمان بالفجوات . [ 1 ]

تتميز الكوبرات ببنية قريبة من بنية المواد ثنائية الأبعاد. وتُحدد خصائصها فائقة التوصيل من خلال حركة الإلكترونات داخل أكسيد النحاس ( CuO) ذي الترابط الضعيف.٢ ) طبقات. تحتوي الطبقات المجاورة على أيونات مثلاللانثانوم،والباريوم،والسترونتيوم، أو ذرات أخرى تعمل على تثبيت البنية وتطعيم طبقات أكسيد النحاس بالإلكترونات أو الفجوات. المركبات "الأصلية" أو "الأم" غير المطعمّة هيعوازل موتذات ترتيب مغناطيسي مضاد طويل المدى عند درجات حرارة منخفضة بما فيه الكفاية.تُعتبر نماذجالنطاق

تتخذ الموصلات الفائقة النحاسية بنية البيروفسكايت . تتكون مستويات أكسيد النحاس من شبكات متداخلة تشبه رقعة الشطرنج، حيث تحتوي كل مربعة على أيونات O²⁻، ويتوسطها أيون Cu²⁺ . تدور وحدة الخلية بزاوية 45° حول هذه المربعات. تحتوي الصيغ الكيميائية للمواد فائقة التوصيل على أرقام كسرية لوصف نسبة التطعيم اللازمة لتحقيق التوصيل الفائق.

تم تحديد عدة عائلات من الموصلات الفائقة النحاسية. ويمكن تصنيفها حسب عناصرها وعدد طبقات أكسيد النحاس المتجاورة في كل وحدة فائقة التوصيل. على سبيل المثال، يمكن الإشارة إلى YBCO و BSCCO بالرمزين Y123 وBi2201/Bi2212/Bi2223 على التوالي، وذلك تبعًا لعدد الطبقات في كل وحدة فائقة التوصيل ( n ). تبلغ درجة حرارة الانتقال إلى حالة التوصيل الفائق ذروتها عند قيمة تطعيم مثالية ( p = 0.16) وعدد مثالي من الطبقات في كل وحدة، وهو عادةً ثلاث طبقات.

لا تزال الآليات المحتملة لظاهرة الموصلية الفائقة في الكوبرات موضع نقاش وبحث مكثف. تشير أوجه التشابه بين حالة درجات الحرارة المنخفضة للمواد غير المشوبة وحالة الموصلية الفائقة التي تظهر عند التشويب، وخاصةً حالة المدار d x 2 −y 2 لأيونات Cu 2+ ، إلى أن تفاعلات الإلكترون-إلكترون أكثر أهمية من تفاعلات الإلكترون-فونون في الكوبرات ، مما يجعل الموصلية الفائقة غير تقليدية. وقد أظهرت دراسات حديثة على سطح فيرمي أن التداخل يحدث عند أربع نقاط في منطقة بريلوين المضادة للمغناطيسية حيث توجد موجات الدوران، وأن فجوة الطاقة للموصلية الفائقة تكون أكبر عند هذه النقاط. وتتناقض تأثيرات النظائر الضعيفة الملاحظة في معظم الكوبرات مع الموصلات الفائقة التقليدية التي تصفها نظرية BCS بدقة. 

الأنواع

نحاسيات الإيتريوم والباريوم

الخلية الأولية لكوبيرات الباريوم والإيتريوم (YBCO)

كان مركب الكوبرات الإيتريوم-الباريوم، YBa₂Cu₃O₇₋ₓ ( أو Y123 ) ، أول موصل فائق يُكتشف فوق درجة غليان النيتروجين السائل . تتواجد المعادن الثلاثة المختلفة في هذا الموصل الفائق بنسبة مولية 1 إلى 2 إلى 3 للإيتريوم إلى الباريوم إلى النحاس على التوالي؛ ولذلك، يُشار إلى هذا الموصل الفائق تحديدًا باسم الموصل الفائق 123 .

تتكون الخلية الأولية لمركب YBa₂Cu₃O₇ من ثلاث خلايا أولية من نوع البيروفسكايت ، وهي شبه مكعبة، تقترب من المعينية القائمة . أما الكوبرات فائقة التوصيل الأخرى فلها بنية مختلفة: خلية رباعية . تحتوي كل خلية بيروفسكايت على ذرة Y أو Ba في مركزها: Ba في الخلية الأولية السفلية، وY في الوسطى، وBa في العلوية. وبالتالي، تتراص ذرات Y وBa بالتسلسل [Ba–Y–Ba] على طول المحور c. تشغل ذرات النحاس جميع مواقع الزوايا في الخلية الأولية، ولها تنسيقان مختلفان، Cu(1) وCu(2)، بالنسبة للأكسجين. توجد أربعة مواقع بلورية محتملة للأكسجين: O(1)، O(2)، O(3)، وO(4). [ 2 ] تختلف متعددات السطوح التنسيقية لذرات Y وBa بالنسبة للأكسجين. يؤدي تضاعف حجم وحدة الخلية البيروفسكيتية ثلاث مرات إلى وجود تسع ذرات أكسجين، بينما يحتوي YBa₂Cu₃O₇ على سبع ذرات أكسجين، ولذلك يُشار إليه باسم بنية بيروفسكيتية ناقصة الأكسجين. تتكون هذه البنية من طبقات متراصة مختلفة: (CuO)(BaO) ( CuO2 )(Y)(CuO2 )(BaO)(CuO ). إحدى السمات الرئيسية للخلية الأولية لـ YBa₂Cu₃O₇₋ₓ(YBCO)هي وجود طبقتينمنCuO2. يتمثل دور المستوى Y في العمل كفاصل بين اثنين منأكسيد النحاس (CuO).مستويان . في مركب YBCO، من المعروف أن سلاسل Cu–O تلعب دورًا هامًا في الموصلية الفائقة.(Tc)أقصاها عند حوالي92كلفن (−181.2درجة مئوية)عندما تكونx≈ 0.15 ويكون التركيب معينيًا قائمًا. تختفي الموصلية الفائقة عندx≈ 0.6، حيث يحدث تحول بنيوي لمركب YBCO من معيني قائم إلى رباعي الأضلاع. [ 3 ]    

أنواع أخرى من النحاسيات

الشبكة البلورية لكبريتات البزموت والسترونتيوم ( BSCCO )

يُعدّ تحضير الكوبرات الأخرى أكثر صعوبة من تحضير YBCO. كما أنها تختلف في بنيتها البلورية: فهي رباعية الأضلاع بينما YBCO معيني قائم . وتنشأ المشاكل في هذه الموصلات الفائقة بسبب وجود ثلاثة أطوار أو أكثر ذات بنية طبقية متشابهة. علاوة على ذلك، فإن البنية البلورية للموصلات الفائقة الكوبراتية الأخرى التي تم اختبارها متشابهة جدًا. [ 4 ] ومثل YBCO، تتميز بخاصية البيروفسكايت ووجود أكسيد النحاس البسيط ( CuO).٢ ) توجد طبقات أيضًا في هذه الموصلات الفائقة. مع ذلك، وعلى عكس YBCO، لا توجد سلاسل Cu–O في هذه الموصلات الفائقة. يتميز موصل YBCO الفائق ببنية معينية قائمة، بينما تتميز الموصلات الفائقة الأخرى ذات درجة الحرارة العالية (Tc)ببنية رباعية.

توجد ثلاث فئات رئيسية من الكوبرات فائقة التوصيل: تلك القائمة على البزموت، وتلك القائمة على الثاليوم، وتلك القائمة على الزئبق.

ثاني أهم الكوبرات من الناحية العملية حاليًا هو BSCCO ، وهو مركب من Bi–Sr–Ca–Cu–O . يُسبب محتوى البزموت والسترونتيوم بعض المشكلات الكيميائية. يمتلك هذا المركب ثلاث مراحل فائقة التوصيل تُشكل سلسلة متجانسة كالتالي: Bi₂Sr₂Caₙ₋₁CunO₄⁺²n⁺x ( حيث n = 1، 2 ، و 3 ) . هذه المراحل الثلاث هي Bi-2201، وBi-2212، وBi-2223، ولها درجات حرارة انتقال تبلغ 20 كلفن (-253.2 درجة مئوية) ، و 85 كلفن (-188.2 درجة مئوية) ، و 110 كلفن (-163 درجة مئوية) على التوالي، حيث يُمثل نظام الترقيم عدد ذرات البزموت والسترونتيوم والكالسيوم والنحاس على التوالي. [ 5 ] تتميز المرحلتان ببنية رباعية تتكون من خليتين بلوريتين مُقسّمتين. تحتوي الخلية الأولية لهذه الأطوار على مستويين من Bi–O متراصين بطريقة تجعل ذرة البزموت في مستوى واحد تقع أسفل ذرة الأكسجين في المستوى التالي. وتشكل ذرة الكالسيوم طبقة داخل CuO      تحتوي كل من Bi-2212 وBi-2223 على طبقتين من النحاس ؛ بينما لا توجد طبقة من الكالسيوم في طور Bi-2201. وتختلف الأطوار الثلاثة فيما بينها في عدد مستويات النحاس؛ إذ يحتوي طور Bi-2201 على مستوى واحد، وطور Bi-2212 على مستويين، وطور Bi-2223 على ثلاثة مستويات من أكسيد النحاس (CuO).مستويان ، على التوالي.cلهذه الأطوار مع ازدياد عدد مستويات الكوبرات (انظر الجدول أدناه). يختلف تنسيق ذرة النحاس في الأطوار الثلاثة. تشكل ذرة النحاس تنسيقًا ثماني الأوجه بالنسبة لذرات الأكسجين في الطور 2201، بينما في الطور 2212، تُحاط ذرة النحاس بخمس ذرات أكسجين في ترتيب هرمي. في بنية الطور 2223، يكون للنحاس تنسيقان بالنسبة للأكسجين: ترتبط ذرة نحاس واحدة بأربع ذرات أكسجين في تكوين مربع مستوٍ، وترتبط ذرة نحاس أخرى بخمس ذرات أكسجين في ترتيب هرمي. [ 6 ]

الكوبرات من الثاليوم والباريوم والكالسيوم
تتميز السلسلة الأولى من الموصلات الفائقة القائمة على الثاليوم، والتي تحتوي على طبقة واحدة من الثاليوم والأكسجين، بالصيغة العامة TlBa₂Caₙ₋₁CunO₂ₙ₊₃ ، [ 7 ] بينما تتميز السلسلة الثانية، التي تحتوي على طبقتين من الثاليوم والأكسجين، بالصيغة Tl₂Ba₂Caₙ₋₁CunO₂ₙ₊₄ حيث n = 1 و 2 و 3 . وفي بنية Tl₂Ba₂CuO₆ ( Tl - 2201 ) ، يوجد جزيء واحد من أكسيد النحاس ( CuO ) . تتكون بنية Tl- 2212 من طبقتين بتسلسل التراص (Tl–O) (Tl–O) (Ba–O) (Cu–O) (Ba–O) (Tl–O) (Tl–O). تحتوي هذه البنية علىطبقتينمنCu–Oبينهماطبقةمن Ca. وكما هو الحال في بنية Tl-2212، توجدطبقاتTl–Oخارج طبقات Ba–O. أما فيبنيةTl2223، فتوجد ثلاث طبقات من CuO₂تحيطكلمنهابطبقة من Ca. في الموصلات الفائقة القائمة على الثاليوم،وُجدأنالحرارةالحرجة(Tc)تزداد مع زيادة نسبةCuO.طبقتان . ومع ذلك، تنخفضقيمةTcطبقات من أكسيد النحاس (CuO).طبقتان فيمركبTlBa₂Caₙ₋₁CunO₂ₙ₊₃،وفيمركبTl₂Ba₂Caₙ₋₁CunO₂ₙ₊₄،ينخفض​​بعدثلاثطبقاتمنCuO​​​​​​​​​​​​طبقتان . [ 8 ]
الكوبرات من الزئبق والباريوم والكالسيوم
يتشابه التركيب البلوري لمركبات HgBa₂CuO₄ ( Hg -1201)، [ 9 ] و HgBa₂CaCu₂O₆ (Hg-1212)، وHgBa₂Ca₂Cu₃O₈ ( Hg - 1223 ) مع تركيب مركبات Tl- 1201 ، وTl-1212 ، وTl-1223، مع استبدال ذرة الثاليوم بذرة الزئبق (Hg) . ومن الجدير بالذكر أن درجة حرارة التحول الزجاجي ( Tc ) لمركب الزئبق (Hg-1201) الذي يحتوي على ذرة واحدة من أكسيد النحاس ( CuO ) هي Tc. الطبقة الثانية أكبر بكثير مقارنة بالطبقة الواحدة -CuOمركب ثنائي الطبقات من الثاليوم (Tl-1201). في الموصل الفائق القائم على الزئبق،وُجد أيضًا أن درجة(Tc)CuOتزداد قيم درجة حرارة التحول الزجاجي (Tc) للمركبات Hg-1201 وHg-1212 وHg-1223 على التوالي،حيث تبلغ 94134كلفن (-139درجة مئوية)، وهي القيمة القياسية عند الضغط الجوي [ 10 ] ،كما هو موضح في الجدول أدناه. وتشير ملاحظةالتحول الزجاجي (Tc)للمركب Hg-1223 إلى153كلفن (-120درجة مئوية)تحت ضغط عالٍ إلى أن درجة حرارة التحولالزجاجي (Tc)لهذا المركب حساسة للغاية لبنيته. [ 11 ]    
درجة حرارة التوصيل الفائق، والبنية البلورية، وثوابت الشبكة لبعض الموصلات الفائقة النحاسية
اسمصيغةدرجة الحرارة (كلفن)عدد طبقات CuO 2 في وحدة الخليةالبنية البلورية
Y-123YBa 2 Cu 3 O 7922معيني قائم
Bi-2201ثنائي 2 ريال 2 نحاس 6201رباعي الزوايا
Bi-2212Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8852رباعي الزوايا
Bi-2223Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 101103رباعي الزوايا
Tl-2201ل 2 با 2 CUO 6801رباعي الزوايا
Tl-2212Tl 2 Ba 2 CaCu 2 O 81082رباعي الزوايا
Tl-2223Tl 2 Ba 2 Ca 2 Cu 3 O 101253رباعي الزوايا
Tl-1234TlBa 2 Ca 3 Cu 4 O 111224رباعي الزوايا
Hg-1201زئبق البانا 2 CuO 4941رباعي الزوايا
Hg-1212HgBa 2 CaCu 2 O 61282رباعي الزوايا
الزئبق-1223HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 81343رباعي الزوايا

التحضير والتصنيع

أبسط طريقة لتحضير الموصلات الفائقة الخزفية هي تفاعل كيميائي حراري في الحالة الصلبة يتضمن الخلط والتكليس والتلبيد . تُخلط كميات مناسبة من مساحيق المواد الأولية، والتي عادةً ما تكون أكاسيد وكربونات، جيدًا باستخدام مطحنة كروية . تُعدّ عمليات كيمياء المحاليل، مثل الترسيب المشترك والتجفيف بالتجميد وطرق سول -جل ، طرقًا بديلة لتحضير خليط متجانس. تُكلس هذه المساحيق في نطاق درجة حرارة من 1070 إلى 1220 كلفن (800 إلى 950 درجة مئوية) لعدة ساعات. تُبرّد المساحيق، ثم تُطحن مرة أخرى وتُكلس مجددًا. تُكرر هذه العملية عدة مرات للحصول على مادة متجانسة. بعد ذلك، تُضغط المساحيق على شكل أقراص وتُلبّد. تلعب بيئة التلبيد، مثل درجة الحرارة ووقت التلدين والجو ومعدل التبريد، دورًا بالغ الأهمية في الحصول على مواد موصلة فائقة ذات درجة حرارة انتقالية عالية . يُحضّر مركب YBa₂Cu₃O₇₋ₓ عن طريق التكليس والتلبيد لمزيج متجانس من Y₂O₃ و BaCO₃ و CuO بنسب ذرية مناسبة. يُجرى التكليس عند درجة حرارة تتراوح بين 800 و950 درجة مئوية ( 1070 إلى 1220 كلفن ) ، بينما يُجرى التلبيد عند 950 درجة مئوية (1220 كلفن) في جو من الأكسجين. تُعدّ نسبة الأكسجين في هذه المادة بالغة الأهمية للحصول على مركب YBa₂Cu₃O₇₋ₓ فائق التوصيل . أثناء التلبيد ، يتكوّن مركب YBa₂Cu₃O₆ شبه الموصل رباعي الأضلاع ، والذي يتحوّل ، عند التبريد البطيء في جو من الأكسجين ، إلى مركب YBa₂Cu₃O₇₋ₓ فائق التوصيل . يُعدّ امتصاص الأكسجين وفقدانه عمليتين قابلتين للانعكاس في YBa₂Cu₃O₇₋ₓ . ويمكن تحويل عينة YBa₂Cu₃O₇₋ₓ المعينية القائمة والمؤكسجة بالكامل إلى YBa₂Cu₃O₆ رباعية الأضلاع عن طريق التسخين في فراغ عند درجة حرارة أعلى من 973 كلفن ( 700 درجة مئوية ) . [ 3 ]        

يُعدّ تحضير الموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة الحرجة العالية ( Tc ) القائمة على البزموت والثاليوم والزئبق أكثر صعوبة من تحضير YBCO. وتنشأ المشاكل في هذه الموصلات الفائقة نتيجة وجود ثلاث مراحل أو أكثر ذات بنية طبقية متشابهة. وبالتالي، يحدث تداخل بنيوي وعيوب مثل أخطاء التراص أثناء عملية التخليق، مما يجعل من الصعب عزل مرحلة موصلة فائقة واحدة. بالنسبة لـ Bi–Sr–Ca–Cu–O، يُعدّ تحضير مرحلة Bi-2212 (Tc ≈ 85 K) أمرًا بسيطًا نسبيًا ، بينما يُعدّ تحضير مرحلة واحدة من Bi-2223 ( Tc ≈ 110 K) أمرًا بالغ الصعوبة. لا يظهر طور Bi-2212 إلا بعد ساعات قليلة من التلبيد عند درجة حرارة 1130-1140 كلفن (860-870 درجة مئوية) ، بينما يتشكل الجزء الأكبر من طور Bi-2223 بعد فترة تفاعل طويلة تزيد عن أسبوع عند درجة حرارة 1140 كلفن (870 درجة مئوية) . [ 6 ] على الرغم من أن استبدال الرصاص في مركب Bi-Sr-Ca-Cu-O قد وُجد أنه يعزز نمو الطور ذي درجة الحرارة العالية ، [ 12 ] إلا أن فترة التلبيد الطويلة لا تزال مطلوبة.        

تاريخ

الجدول الزمني للموصلات الفائقة. تُعرض الكوبرات على شكل معينات زرقاء، بينما تُعرض ثنائي بوريد المغنيسيوم وغيرها من الموصلات الفائقة من نوع BCS على شكل دوائر خضراء، أما الموصلات الفائقة القائمة على الحديد فتُعرض على شكل مربعات صفراء. تُعد الكوبرات حاليًا الموصلات الفائقة ذات أعلى درجة حرارة، وهي مناسبة للأسلاك والمغناطيسات.

اكتُشف أول موصل فائق من نوع الكوبرات عام 1986 في أكسيد النحاس واللانثانوم والباريوم غير المتكافئ كيميائيًا، وذلك على يد باحثي شركة IBM ، جورج بيدنورز وكارل أليكس مولر . بلغت درجة الحرارة الحرجة لهذه المادة 35 كلفن، وهي أعلى بكثير من الرقم القياسي السابق البالغ 23 كلفن. [ 13 ] أدى هذا الاكتشاف إلى زيادة ملحوظة في الأبحاث المتعلقة بالكوبرات، مما أسفر عن نشر آلاف الأبحاث بين عامي 1986 و2001. [ 14 ] مُنح بيدنورز ومولر جائزة نوبل في الفيزياء عام 1987، بعد عام واحد فقط من اكتشافهما. [ 15 ] 

منذ عام 1986، تم تحديد العديد من الموصلات الفائقة النحاسية، ويمكن تصنيفها إلى ثلاث مجموعات على مخطط الطور الذي يوضح العلاقة بين درجة الحرارة الحرجة ومحتوى ثقوب الأكسجين ومحتوى ثقوب النحاس:

في عام 2018، تم استخلاص بنية سطح فيرمي ثلاثية الأبعاد الكاملة من مطيافية الانبعاث الضوئي الزاوي للأشعة السينية اللينة. [ 20 ]

بناء

الخلية الأساسية للموصل الفائق النحاسي عالي الحرارة BSCCO-2212

الكوبرات هي مواد طبقية تتكون من طبقات فائقة التوصيل من أكسيد النحاس ، تفصل بينها طبقات تحتوي على أيونات مثل اللانثانوم والباريوم والسترونتيوم ، والتي تعمل كمخزن للشحنة، حيث تُطعّم طبقات أكسيد النحاس بالإلكترونات أو الفجوات. وبالتالي، يُوصف التركيب بأنه شبكة فائقة من أكسيد النحاس فائق التوصيل ( CuO ).طبقتان مفصولتان بطبقات فاصلة، مما ينتج عنه بنية غالباً ما تكون وثيقة الصلة ببنيةالبيروفسكايت. تحدث الموصلية الفائقة داخل أكسيد النحاس (CuO).2 ) صفائح، مع اقتران ضعيف فقط بينCuOمستويان ، مما يجعل خصائصه قريبة من خصائص المواد ثنائية الأبعاد. تتدفق التيارات الكهربائية داخل أكسيد النحاس(CuO).طبقتان ، مما ينتج عنه تباين كبير في خصائص التوصيل العادية وخصائص التوصيل الفائق، مع موصلية أعلى بكثير موازية لـCuOالمستوى 2 أكثر من الاتجاه العمودي.

تعتمد درجات الحرارة الحرجة للتوصيل الفائق على التركيب الكيميائي، واستبدال الكاتيونات، ومحتوى الأكسجين. تحتوي الصيغ الكيميائية للمواد فائقة التوصيل عمومًا على أرقام كسرية لوصف التشويب المطلوب للتوصيل الفائق. توجد عدة عائلات من الموصلات الفائقة النحاسية، والتي يمكن تصنيفها حسب العناصر التي تحتويها وعدد طبقات أكسيد النحاس المتجاورة في كل وحدة توصيل فائقة. على سبيل المثال، يمكن الإشارة إلى YBCO وBSCCO بالتناوب على أنها Y123 وBi2201/Bi2212/Bi2223 اعتمادًا على عدد الطبقات في كل وحدة توصيل فائقة ( n ). وقد وُجد أن درجة حرارة الانتقال إلى التوصيل الفائق تبلغ ذروتها عند قيمة تشويب مثالية ( p = 0.16) وعدد مثالي من الطبقات في كل وحدة توصيل فائقة، عادةً n = 3.

تُعتبر المركبات "الأصلية" أو "الأم" غير المشوبة عوازل موت ذات ترتيب مغناطيسي مضاد طويل المدى عند درجات حرارة منخفضة بما فيه الكفاية. وتُعتبر نماذج النطاق الواحد كافية عمومًا لوصف الخصائص الإلكترونية.

تتميز الموصلات الفائقة النحاسية عادةً بوجود أكاسيد النحاس في حالتي الأكسدة 3+ و2+. على سبيل المثال، يُوصف المركب YBa₂Cu₃O₇ بالصيغة Y³⁺ ( Ba²⁺ ) ₂ ( Cu³⁺ ) ( Cu²⁺ ) ₂ ( O²⁻ ) ₇ . تميل أيونات النحاس 2+ و3+ إلى الترتيب على شكل رقعة الشطرنج، وهي ظاهرة تُعرف باسم ترتيب الشحنة . [ 21 ] جميع الموصلات الفائقة النحاسية هي مواد طبقية ذات بنية معقدة تُوصف بأنها شبكة فائقة من أكسيد النحاس فائق التوصيل (CuO).طبقتان مفصولتان بطبقات فاصلة، حيث يؤدي إجهاد عدم التوافق بين الطبقات المختلفة والمواد المضافة في الفواصل إلى عدم تجانس معقد يكون فيالشرائط الفائقةجوهريًا للموصلية الفائقة ذات درجة الحرارة العالية.

آلية التوصيل الفائق

مخطط طور التطعيم التخطيطي للموصلات الفائقة النحاسية ذات درجة الحرارة العالية

تُعتبر الموصلية الفائقة في الكوبرات ظاهرة غير تقليدية، ولا تُفسرها نظرية BCS . ولا تزال آليات الاقتران المحتملة للموصلية الفائقة في الكوبرات موضع نقاش واسع وبحث مستمر. تشير أوجه التشابه بين حالة الطور المضاد للمغناطيسية عند درجات الحرارة المنخفضة في المواد غير المُطعّمة وحالة الموصلية الفائقة عند درجات الحرارة المنخفضة التي تظهر عند التطعيم، وخاصةً حالة المدار d x 2 −y 2 لأيونات Cu 2+ ، إلى أن اقتران الإلكترون-الفونون أقل أهمية في الكوبرات. وقد أظهرت دراسات حديثة على سطح فيرمي أن التداخل يحدث عند أربع نقاط في منطقة بريلوين المضادة للمغناطيسية حيث توجد موجات الدوران، وأن فجوة الطاقة للموصلية الفائقة تكون أكبر عند هذه النقاط. وتتناقض تأثيرات النظائر الضعيفة الملاحظة في معظم الكوبرات مع الموصلات الفائقة التقليدية التي تُوصف بدقة بواسطة نظرية BCS.

في عام 1987، اقترح فيليب أندرسون أن التبادل الفائق قد يعمل كآلية اقتران في الموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة العالية. وفي عام 2016، وجد فيزيائيون صينيون ارتباطًا بين درجة الحرارة الحرجة لمركب الكوبرات وحجم فجوة نقل الشحنة فيه، مما يدعم فرضية التبادل الفائق. وفي دراسة أجريت عام 2022، تبين أن الكثافة المتغيرة لأزواج كوبر الفعلية في موصل فائق من أكسيد البزموت والسترونتيوم والكالسيوم والنحاس تتطابق مع التنبؤات العددية القائمة على التبادل الفائق. [ 22 ] ولكن حتى الآن لا يوجد إجماع على الآلية، ولا يزال البحث عن تفسير لها مستمرًا.

أوجه التشابه والاختلاف في خصائص الكوبرات المطعمة بالثقوب والمطعمة بالإلكترونات:

  • وجود طور فجوة زائفة حتى مستوى التشويب الأمثل على الأقل.
  • تتباين اتجاهات مخطط أومورا الذي يربط درجة حرارة الانتقال بكثافة المائع الفائق. يبدو أن مقلوب مربع عمق اختراق لندن يتناسب طرديًا مع درجة الحرارة الحرجة لعدد كبير من الموصلات الفائقة النحاسية ناقصة التشويب، لكن ثابت التناسب يختلف بين الموصلات النحاسية المشوبة بالثقوب وتلك المشوبة بالإلكترونات. يشير الاتجاه الخطي إلى أن فيزياء هذه المواد ثنائية الأبعاد بشكل واضح.
  • خاصية عالمية على شكل الساعة الرملية في إثارات الدوران للنحاسيات تم قياسها باستخدام حيود النيوترونات غير المرن.
  • تأثير نيرنست واضح في كل من طوري الموصلية الفائقة والفجوة الزائفة.
الشكل  1. سطح فيرمي لطبقة BSCCO الثنائية ، محسوب (يسار) ومقاس بواسطة مطيافية الانبعاث الضوئي الزاوي (يمين). يمثل المستطيل المتقطع منطقة بريلوين الأولى .

تتميز البنية الإلكترونية للمواد النحاسية فائقة التوصيل بدرجة عالية من التباين. لذلك، يكون سطح فيرمي للمواد فائقة التوصيل ذات درجة الحرارة العالية قريبًا من سطح فيرمي لأكسيد النحاس المطعّم.مستويان (أو مستويات متعددة، في حالة الكوبرات متعددة الطبقات) ويمكن تمثيلها فيالفضاء المتبادل ثنائي(أو فضاء الزخم) لأكسيدالنحاس2 شبكة. سطح فيرمي النموذجي داخل أولCuOتم رسم منطقة بريلوين 2  في الشكل 1 (يسار). ويمكن استنتاجها منبنية النطاقأو قياسها باستخداممطيافية الانبعاث الضوئي(ARPES). يُظهر الشكل 1 سطح فيرمي لمركب BSCCO المقاس بواسطة ARPES. في نطاق واسع من تركيز حاملات الشحنة (مستوى التطعيم)، حيث تكون المواد فائقة التوصيل ذات الثقوب المطعمة فائقة التوصيل فائقة التوصيل، يكون سطح فيرمي مفتوحًا (كماهو موضح في الشكل 1). ينتج عن ذلك تباين جوهري في الخواص الإلكترونية للمواد فائقة التوصيل ذات الثقوب المطعمة بالثقوب. [ 20 ]

غالبًا ما تتشابه بنية الموصلات الفائقة النحاسية مع بنية البيروفسكايت . وقد وُصفت بنيتها بأنها بنية بيروفسكايت مشوهة، تفتقر إلى الأكسجين، ومتعددة الطبقات. ومن خصائص البنية البلورية للموصلات الفائقة الأكسيدية وجود طبقات متعددة متناوبة من أكسيد النحاس (CuO).مستويان مع موصلية فائقة بين هذه الطبقات. كلما زاد عدد طبقات أكسيدالنحاس (CuO)٢ ، كلما ارتفعت درجة الحرارة الحرجة(Tc). يتسبب هذا التركيب في تباين كبير في خصائص التوصيل العادية وخصائص التوصيل الفائق، حيث يتم نقل التيارات الكهربائية بواسطة ثقوب مستحثة في مواقع الأكسجين في أكسيد النحاس(CuO).ورقتان . يتميز التوصيل الكهربائي بموصلية أعلى بكثير موازية لأكسيدالنحاس (CuO).المستوى 2 أكثر من الاتجاه العمودي.

تعتمد درجات الحرارة الحرجة على التركيب الكيميائي، واستبدال الكاتيونات، ومحتوى الأكسجين. ويمكن تصنيفها على أنها شرائط فائقة ؛ أي تطبيقات محددة للشبكات الفائقة على المستوى الذري، تتكون من طبقات وأسلاك ونقاط ذرية فائقة التوصيل، تفصل بينها طبقات فاصلة، مما ينتج عنه موصلية فائقة متعددة النطاقات والفجوات.

التطبيقات

تتمتع الموصلات الفائقة BSCCO بالفعل بتطبيقات واسعة النطاق. على سبيل المثال، يتم استخدام عشرات الكيلومترات من أسلاك BSCCO-2223 فائقة التوصيل عند درجة حرارة 77 كلفن في الموصلات الحالية لمصادم الهادرونات الكبير في CERN [ 23 ] (لكن ملفات المجال الرئيسية تستخدم موصلات فائقة معدنية ذات درجة حرارة منخفضة، تعتمد بشكل أساسي على النيوبيوم والقصدير ).

انظر أيضاً

فهرس

مراجع

  1. ↑ هارتينجر، سي. "DFG FG 538 - اعتماد التحولات الطورية وظواهر الترتيب في الموصلات الفائقة النحاسية على التشويب" . wmi.badw-muenchen.de . مؤرشف من الأصل في 27 ديسمبر 2008. تم الاطلاع عليه في 29 أكتوبر 2009 .
  2. ↑ هازن، ر.؛ فينغر، ل.؛ أنجيل، ر.؛ برويت، س.؛ روس، ن.؛ ماو، هـ.؛ وآخرون (1987). "الوصف البلوري للأطوار في الموصل الفائق Y–Ba–Cu–O". مجلة Physical Review B. 35 ( 13): 7238–7241 . Bibcode : 1987PhRvB..35.7238H . doi : 10.1103/PhysRevB.35.7238 . PMID 9941012 .  
  3. 1 2 خاري، نيراج (2003). دليل إلكترونيات الموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة العالية . مطبعة سي آر سي. رقم ISBN 0-8247-0823-7.
  4. ↑ ديكر، مارسيل (28 سبتمبر 1993). هيرمان، ألين م.؛ ياخمي، جيه في (محرران). الموصلات الفائقة عالية الحرارة القائمة على الثاليوم . مطبعة سي آر سي. رقم ISBN 0-8247-9114-2.
  5. ↑ هازن، ر.؛ برويت، س.؛ أنجيل، ر.؛ روس، ن.؛ فينغر، ل.؛ هاديدياكوس، س.؛ وآخرون (1988). "الموصلية الفائقة في نظام Bi –Ca–Sr–Cu–O ذي درجة الحرارة العالية : تحديد الطور" . رسائل المراجعة الفيزيائية . 60 (12): 1174-1177 . Bibcode : 1988PhRvL..60.1174H . doi : 10.1103/PhysRevLett.60.1174 . PMID 10037960 .  
  6. 1 2 تاراسكون، ج.؛ ماكينون، و.؛ باربو، ب.؛ هوانغ، د.؛ باجلي، ب.؛ غرين، ل.؛ وآخرون . (1988). " تحضير وبنية وخواص سلسلة الكوبرات فائقة التوصيل Bi₂Sr₂Caₙ₋₁CunOᵧ حيث n = 1 و 2 و3" ( ملف PDF) . مجلة Physical Review B. 38 ( 13 ) : 8885–8892 . Bibcode : 1988PhRvB..38.8885T . doi : 10.1103/PhysRevB.38.8885 . PMID 9945668 .  
  7. ↑ شينغ، ز.ز.؛ هيرمان، أ.م.؛ العلي، أ.؛ الماسان، س.؛ إسترادا، ج.؛ داتا، ت.؛ ماتسون، ر.ج. (1988). "الموصلية الفائقة عند 90 كلفن في نظام Tl–Ba–Cu–O". رسائل المراجعة الفيزيائية . 60 (10): 937–940 . Bibcode : 1988PhRvL..60..937S . doi : 10.1103/PhysRevLett.60.937 . PMID 10037895 .  
  8. ↑ شينغ، ز.ز.؛ هيرمان، أ.م. (1988). "الموصلية الفائقة في نظام Tl–Ba–Cu–O الخالي من العناصر الأرضية النادرة فوق درجة حرارة النيتروجين السائل". مجلة نيتشر . 332 (6159): 55-58 . Bibcode : 1988Natur.332...55S . doi : 10.1038/332055a0 . S2CID 4330505 . 
  9. ↑ بوتيلين، إس إن؛ أنتيبوف، إي في؛ شمايسيم، أو؛ مارزيو، إم. (1993). "الموصلية الفائقة عند 94 كلفن في HgBa₂CuO₄⁺δ " . مجلة نيتشر . 362 (6417): 226-228 . Bibcode : 1993Natur.362..226P . doi : 10.1038/362226a0 . S2CID 4280761 .  
  10. ↑ شيلينغ، أ.؛ كانتوني، م.؛ غو، ج. د.؛ أوت، هـ. ر. (1993). "الموصلية الفائقة فوق 130 كلفن في نظام الزئبق-الباريوم-الكالسيوم-النحاس-الأكسجين". مجلة نيتشر . 363 (6424): 56-58 . رمز Bibcode : 1993Natur.363...56S . doi : 10.1038/363056a0 . S2CID 4328716 .  
  11. ↑ تشو، سي دبليو؛ غاو، إل؛ تشين، إف؛ هوانغ، زد جيه؛ مينغ، آر إل؛ شيو، واي واي (1993). "الموصلية الفائقة فوق 150 كلفن في HgBa2Ca2Cu3O8+δ عند ضغوط عالية". مجلة نيتشر . 365 (6444): 323-325 . Bibcode : 1993Natur.365..323C . doi : 10.1038/365323a0 . S2CID 4316020 .  
  12. ↑ شي، دونغلو؛ بولي، مارك س.؛ تشين، جي جي؛ شو، مينغ؛ فاندرفورت، ك.؛ لياو، واي إكس؛ وآخرون (1989). "أصل النمو المعزز للطور فائق التوصيل عند 110 كلفن عن طريق تطعيم الرصاص في نظام Bi–Sr–Ca–Cu–O". رسائل الفيزياء التطبيقية . 55 (7): 699. Bibcode : 1989ApPhL..55..699S . doi : 10.1063/1.101573 .  
  13. ↑ ج. ج. بيدنورز؛ ك. أ. مولر (1986). "إمكانية وجود موصلية فائقة عند درجة حرارة عالية في نظام الباريوم-اللانثانوم-النحاس-الأكسجين". مجلة الفيزياء ب . 64 (2): 189-193 . رمز Bibcode : 1986ZPhyB..64..189B . doi : 10.1007/BF01303701 . S2CID 118314311 . 
  14. ↑ مارك بوكانان (2001). "انتبه للفجوة الزائفة" . مجلة نيتشر . 409 (6816): 8-11 . Bibcode : 2001Natur.409....8B . doi : 10.1038/ 35051238 . PMID 11343081. S2CID 5471795 .  
  15. ↑ السيرة الذاتية الحائزة على جائزة نوبل .
  16. ↑ وو، إم كيه؛ آشبرن، جيه آر؛ تورنغ، سي جيه؛ هور، بي إتش؛ مينغ، آر إل؛ غاو، إل؛ هوانغ، زد جيه؛ وانغ، واي كيو؛ تشو، سي دبليو (1993). "الموصلية الفائقة عند 93 كلفن في نظام مركب جديد مختلط الطور من Y-Ba-Cu-O عند الضغط الجوي". عشر سنوات من الموصلية الفائقة: 1980-1990 . المجلد 7. دوردريخت: سبرينغر هولندا. الصفحات 281-283 . doi : 10.1007/978-94-011-1622-0_36 . ISBN   978-94-010-4707-4.
  17. ↑ شينغ، ز.ز.؛ هيرمان، أ.م. (1988). "الموصلية الفائقة الحجمية عند 120 كلفن في نظام Tl–Ca/Ba–Cu–O". مجلة نيتشر . 332 (6160): 138–139 . Bibcode : 1988Natur.332..138S . doi : 10.1038/332138a0 . S2CID 30690410 . 
  18. ↑ شيلينغ، أ.؛ كانتوني، م.؛ غو، ج. د.؛ أوت، هـ. ر. (1993). "الموصلية الفائقة فوق 130 كلفن في نظام الزئبق-الباريوم-الكالسيوم-النحاس-الأكسجين". مجلة نيتشر . 363 (6424): 56-58 . رمز Bibcode : 1993Natur.363...56S . doi : 10.1038/363056a0 . S2CID 4328716 . 
  19. ↑ لي، باتريك أ. (2008). "من الموصلية الفائقة عند درجات الحرارة العالية إلى سائل الدوران الكمومي: التقدم في فيزياء الارتباط القوي". تقارير عن التقدم في الفيزياء . 71 (1) 012501. arXiv : 0708.2115 . Bibcode : 2008RPPh...71a2501L . doi : 10.1088/0034-4885/71/1/012501 . S2CID 119315840 . 
  20. ١ ٢ هوريو، م.؛ هاوزر، ك.؛ ساسا، ي.؛ مينغازيفا، ز.؛ سوتر، د.؛ كرامر، ك.؛ كوك، أ.؛ نوتشيرينو، إ.؛ فورسلوند، أو. ك.؛ تيرنبرغ، أ.؛ كوباياشي، م. (١٧ أغسطس ٢٠١٨). "سطح فيرمي ثلاثي الأبعاد لمركبات الكوبرات المشبعة باللانثانوم" . رسائل المراجعة الفيزيائية . ١٢١ (٧) ٠٧٧٠٠٤. arXiv : ١٨٠٤.٠٨٠١٩ . Bibcode : ٢٠١٨PhRvL.١٢١g٧٠٠٤H . doi : ١٠.١١٠٣/PhysRevLett.١٢١.٠٧٧٠٠٤ . hdl : 1983/b5d79bda-0ca2-44b9-93a0-0aa603b0a543 . PMID 30169083 . S2CID 206315433 .  
  21. ^ لي ، شينتونغ. زو، تشانغوي. دينغ، ينغ؛ يان، هونغتاو؛ ايها شوسن. لي، هايوي؛ هاو، زنكي؛ تشاو لين. تشو، شينغجيانغ؛ وانغ ، يايو (12 يناير 2021). “تطور تعديلات الشحنة والكثافة الزوجية في المبالغةبأنا2Sر2جuيا6+دلتا{\displaystyle {\mathrm {Bi}} _{2}{\mathrm {Sr} }_{2}{\mathrm {CuO} }_{6+\delta }}" . Physical Review X . 11 (1) 011007. arXiv : 2101.06598 . doi : 10.1103/PhysRevX.11.011007 .
  22. ↑ وود، تشارلي (21 سبتمبر 2022). "أخيرًا فهم الموصلية الفائقة عند درجات الحرارة العالية" . مجلة كوانتا . تم الاطلاع عليه في 22 سبتمبر 2022 .
  23. ↑ أماليا بالارينو (23 نوفمبر 2005). "مواد الموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة العالية لأسلاك التيار في مصادم الهادرونات الكبير" . سيرن .