Cuprat-Supraleiter sind eine Familie von Hochtemperatur-Supraleitern, die aus Schichten von Kupferoxiden ( CuO) bestehen.2) abwechselnd mit Schichten anderer Metalloxide, die als Ladungsspeicher dienen. Bei Umgebungsdruck sind Cuprat- Supraleiter die bisher höchsten bekannten Supraleiter.

Phasendiagramm von Kuprat-Supraleitern: Sie lassen sich grundsätzlich in elektronen- ( n- ) und lochdotierte ( p- ) Kuprate unterteilen, analog zu den grundlegenden Modellen für Halbleiter . Die beiden Standard-Kuprat-Supraleiter YBCO und BSCCO sind überwiegend lochdotiert . [ 1 ]

Cuprate besitzen eine Struktur, die der eines zweidimensionalen Materials ähnelt. Ihre supraleitenden Eigenschaften werden durch die Bewegung von Elektronen innerhalb schwach gekoppelter Kupferoxid-Schichten ( CuO) bestimmt.2Die benachbarten Schichten enthalten Ionen wie Lanthan , Barium , Strontium oder andere Atome, die die Strukturen stabilisieren und Elektronen oder Löcher in die Kupferoxidschichten einbringen. Die undotierten Ausgangs- oder „Mutterverbindungen“ sind Mott-Isolatoren mit antiferromagnetischer Fernordnung bei ausreichend niedrigen Temperaturen. Zur Beschreibung der elektronischen Eigenschaften gelten im Allgemeinen Einbandmodelle als ausreichend.

Die Cuprat-Supraleiter besitzen eine Perowskitstruktur . Die Kupferoxid-Ebenen bilden ein Schachbrettgitter mit Quadraten aus O²⁻ - Ionen, in deren Zentrum sich jeweils ein Cu²⁺-Ion befindet. Die Elementarzelle ist gegenüber diesen Quadraten um 45° gedreht. Chemische Formeln supraleitender Materialien enthalten Bruchzahlen, um die für die Supraleitung erforderliche Dotierung zu beschreiben.

Es wurden mehrere Familien von Cuprat-Supraleitern identifiziert. Sie lassen sich anhand ihrer Elemente und der Anzahl benachbarter Kupferoxidschichten in jedem supraleitenden Block kategorisieren. Beispielsweise können YBCO und BSCCO je nach Schichtanzahl ( n ) in jedem supraleitenden Block als Y123 bzw. Bi2201/Bi2212/Bi2223 bezeichnet werden. Die supraleitende Übergangstemperatur erreicht ihr Maximum bei einem optimalen Dotierungswert ( p = 0,16) und einer optimalen Schichtanzahl in jedem Block, typischerweise drei.

Die möglichen Mechanismen der Supraleitung in Kupraten sind weiterhin Gegenstand intensiver Diskussionen und Forschung. Ähnlichkeiten zwischen dem Tieftemperaturzustand undotierter Materialien und dem supraleitenden Zustand, der durch Dotierung entsteht – insbesondere dem d <sub>x² - y² </sub> -Orbitalzustand der Cu <sup>2+</sup> -Ionen –, legen nahe, dass Elektron-Elektron-Wechselwirkungen in Kupraten eine größere Rolle spielen als Elektron-Phonon-Wechselwirkungen. Dies führt zu einer unkonventionellen Supraleitung. Jüngste Untersuchungen der Fermi-Fläche haben gezeigt, dass an vier Punkten in der antiferromagnetischen Brillouin-Zone , in der Spinwellen existieren , eine Verschachtelung auftritt und die supraleitende Energielücke an diesen Punkten größer ist. Die für die meisten Kuprate beobachteten schwachen Isotopeneffekte stehen im Gegensatz zu konventionellen Supraleitern, die sich gut durch die BCS-Theorie beschreiben lassen.

Typen

Yttrium-Barium-Cuprat

Elementarzelle für das Cuprat von Barium und Yttrium (YBCO)

Ein Yttrium-Barium-Cuprat, YBa₂Cu₃O₇₋ₓ (oder Y123 ) , war der erste Supraleiter, der oberhalb des Siedepunkts von flüssigem Stickstoff entdeckt wurde . Die drei verschiedenen Metalle im Supraleiter YBa₂Cu₃O₇ liegen im Molverhältnis 1:2:3 (Yttrium:Barium:Kupfer) vor ; daher wird dieser Supraleiter oft als 123 - Supraleiter bezeichnet.

Die Elementarzelle von YBa₂Cu₃O₇ besteht aus drei Perowskit -Elementarzellen und ist pseudokubisch, nahezu orthorhombisch . Die anderen supraleitenden Cuprate besitzen eine andere Struktur: Sie haben eine tetragonale Elementarzelle . Jede Perowskit-Elementarzelle enthält ein Y- oder Ba-Atom im Zentrum: Ba ​​in der unteren, Y in der mittleren und Ba in der oberen Elementarzelle. Y und Ba sind somit entlang der c-Achse in der Sequenz [Ba–Y–Ba] gestapelt. Alle Eckplätze der Elementarzelle sind mit Cu besetzt, das zwei verschiedene Koordinationszahlen, Cu(1) und Cu(2), bezüglich Sauerstoff aufweist. Es gibt vier mögliche kristallographische Positionen für Sauerstoff: O(1), O(2), O(3) und O(4). [ 2 ] Die Koordinationspolyeder von Y und Ba bezüglich Sauerstoff unterscheiden sich. Die Verdreifachung der Perowskit-Elementarzelle führt zu neun Sauerstoffatomen, während YBa₂Cu₃O₇ sieben Sauerstoffatome aufweist und daher als sauerstoffarme Perowskitstruktur bezeichnet wird. Die Struktur besteht aus gestapelten Schichten: (CuO)(BaO) ( CuO ) .2)(Y)( CuO2)( BaO )(CuO ) . Ein wesentliches Merkmal der Elementarzelle von YBa₂Cu₃O₇₋ₓ ( YBCO ) ist das Vorhandensein zweier CuO -Schichten .2Die Y-Ebene dient als Abstandshalter zwischen zwei CuO-Einheiten .2Ebenen. In YBCO spielen die Cu–O-Ketten bekanntermaßen eine wichtige Rolle für die Supraleitung. Die Sprungtemperatur T<sub> c</sub> ist bei x ≈ 0,15 maximal und liegt bei etwa 92 K (−181,2 °C), wenn  die Struktur orthorhombisch ist. Die Supraleitung verschwindet bei x  ≈ 0,6, wo die Strukturumwandlung von YBCO von orthorhombisch zu tetragonal erfolgt. [ 3 ]

Andere Cuprate

Kristallgitter von Bismut- und Strontium-Cuprat ( BSCCO )

Die Herstellung anderer Cuprate ist schwieriger als die von YBCO. Sie weisen zudem eine andere Kristallstruktur auf: Sie sind tetragonal, während YBCO orthorhombisch ist . Probleme bei diesen Supraleitern entstehen durch das Vorhandensein von drei oder mehr Phasen mit ähnlicher Schichtstruktur. Darüber hinaus ist die Kristallstruktur anderer untersuchter Cuprat-Supraleiter sehr ähnlich. [ 4 ] Wie YBCO weisen sie Perowskit-Eigenschaften und das Vorhandensein von einfachem Kupferoxid ( CuO) auf.2Auch in diesen Supraleitern existieren Cu-O-Schichten. Im Gegensatz zu YBCO sind jedoch keine Cu-O-Ketten vorhanden. Der YBCO-Supraleiter besitzt eine orthorhombische Struktur, während die anderen Hochtemperatur - Supraleiter eine tetragonale Struktur aufweisen.

Es gibt drei Hauptklassen von supraleitenden Kupraten: auf Wismutbasis, auf Thalliumbasis und auf Quecksilberbasis.

Das zweitwichtigste Cuprat ist derzeit BSCCO , eine Verbindung aus Bi–Sr–Ca–Cu–O . Der Gehalt an Bismut und Strontium führt zu chemischen Problemen. Es besitzt drei supraleitende Phasen, die eine homologe Reihe bilden: Bi₂Sr₂Caₙ₋₁CuₙO₄₊₂ₙ₊ₓ ( n = 1 , 2 und 3 ) . Diese drei Phasen sind Bi - 2201 , Bi-2212 und Bi-2223 mit Übergangstemperaturen von 20 K ( −253,2 °C), 85 K (−188,2 °C) bzw. 110 K (−163 °C). Die Zahlen geben die Anzahl der Atome für Bi, Sr, Ca bzw. Cu an. [ 5 ] Die beiden Phasen besitzen eine tetragonale Struktur, die aus zwei gescherten kristallographischen Elementarzellen besteht. Die Elementarzelle dieser Phasen weist doppelte Bi–O-Ebenen auf, die so gestapelt sind, dass das Bi-Atom einer Ebene unter dem Sauerstoffatom der darauffolgenden Ebene liegt. Das Ca-Atom bildet eine Schicht im Inneren des CuO.2Sowohl Bi-2212 als auch Bi-2223 weisen Schichten auf; in der Bi-2201-Phase fehlt eine Ca-Schicht. Die drei Phasen unterscheiden sich in der Anzahl der Cuprat-Ebenen; Bi-2201, Bi-2212 und Bi-2223 besitzen eine, zwei bzw. drei CuO- Ebenen.2Die Gitterkonstanten entlang der c -Achse dieser Phasen nehmen mit der Anzahl der Cuprat-Ebenen zu (siehe Tabelle unten). Die Koordination des Cu-Atoms ist in den drei Phasen unterschiedlich. In der Phase 2201 bildet das Cu-Atom eine oktaedrische Koordination mit Sauerstoffatomen, während es in der Phase 2212 von fünf Sauerstoffatomen in einer pyramidalen Anordnung umgeben ist. In der Struktur 2223 weist Cu zwei Koordinationsmuster bezüglich Sauerstoff auf: Ein Cu-Atom ist quadratisch-planar an vier Sauerstoffatome gebunden, das andere Cu-Atom ist pyramidal an fünf Sauerstoffatome koordiniert. [ 6 ]

Cuprat von Tl–Ba–Ca
Die erste Reihe der Tl-basierten Supraleiter mit einer Tl–O-Schicht hat die allgemeine Formel TlBa₂Caₙ₋₁CuₙO₂ₙ₊₃ [ 7 ] , während die zweite Reihe mit zwei Tl–O-Schichten die Formel Tl₂Ba₂Caₙ₋₁CuₙO₂ₙ₊₄ mit n = 1 , 2 und 3 aufweist . In der  Struktur von Tl₂Ba₂CuO₆ ( Tl - 2201 ) befindet sich ein CuO - Atom .2Die Schichtfolge ist (Tl–O) (Tl–O) (Ba–O) (Cu–O) (Ba–O) (Tl–O) (Tl–O). In Tl₂Ba₂CaCu₂O₈ ( Tl - 2212 ) befinden sich zwei Cu–O - Schichten mit einer dazwischenliegenden Ca-Schicht. Ähnlich wie in der Struktur von Tl₂Ba₂CuO₆ liegen Tl–O-Schichten außerhalb der Ba–O-Schichten. In Tl₂Ba₂Ca₂Cu₃O₁₀ ( Tl- 2223 ) befinden sich drei CuO₂-Schichten, die jeweils eine Ca - Schicht einschließen. Bei Tl-basierten Supraleitern steigt die Sprungtemperatur T <sub> c </sub> mit zunehmendem CuO- Gehalt .2Der Wert von T c sinkt jedoch nach vier CuO -Schichten.2In den Schichten von TlBa₂Caₙ₋₁CuₙO₂ₙ₊₃ und in der Verbindung Tl₂Ba₂Caₙ₋₁CuₙO₂ₙ₊₄ nimmt sie nach drei CuO - Schichten ab .​​​​​​​2Schichten. [ 8 ]
Cuprat von Hg–Ba–Ca
Die Kristallstruktur von HgBa₂CuO₄ ( Hg -1201), [ 9 ] HgBa₂CaCu₂O₆ ( Hg -1212) und HgBa₂Ca₂Cu₃O₈ ( Hg - 1223 ) ähnelt der von Tl-1201, Tl-1212 und Tl-1223, wobei Tl durch Hg ersetzt ist. Bemerkenswert ist, dass die T <sub> c </sub> der Hg - Verbindung (Hg-1201) mit einem CuO-Atom niedriger ist .2Die Schicht ist im Vergleich zur CuO-Schicht viel größer.2-Schichtverbindung von Thallium (Tl-1201). Auch im Hg-basierten Supraleiter steigt die kritische Temperatur T<sub> c</sub> mit zunehmendem CuO-Gehalt .2Die Schichtdicke nimmt zu. Für Hg-1201, Hg-1212 und Hg-1223 betragen die Werte für T<sub> c </sub> 94 K, 128 K bzw. den Rekordwert von 134 K (−139 °C) bei Umgebungsdruck [ 10 ] , wie in der folgenden Tabelle dargestellt. Die Beobachtung, dass die T<sub> c</sub> von Hg-1223 unter hohem Druck auf 153 K (−120 °C) ansteigt, deutet darauf hin, dass die T<sub> c</sub> dieser Verbindung sehr empfindlich auf ihre Struktur reagiert. [ 11 ]
Supraleitende Temperatur, Kristallstruktur und Gitterkonstanten einiger Kuprat-Supraleiter
Name Formel Temperatur (K) Anzahl der Ebenen von CuO₂ in der Elementarzelle Kristallstruktur
Y-123 YBa₂Cu₃O₇​​​​​92 2 Orthorhombisch
Bi-2201 Bi 2 Sr 2 CuO 620 1 Tetragonal
Bi-2212 Bi₂Sr₂CaCu₂O₈​​​​​​​85 2 Tetragonal
Bi-2223 Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 10110 3 Tetragonal
Tl-2201 Tl 2 Ba 2 CuO 680 1 Tetragonal
Tl-2212 Tl 2 Ba 2 CaCu 2 O 8108 2 Tetragonal
Tl-2223 Tl 2 Ba 2 Ca 2 Cu 3 O 10125 3 Tetragonal
Tl-1234 TlBa 2 Ca 3 Cu 4 O 11122 4 Tetragonal
Hg-1201 HgBa 2 CuO 494 1 Tetragonal
Hg-1212 HgBa 2 CaCu 2 O 6128 2 Tetragonal
Hg-1223 HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8134 3 Tetragonal

Vorbereitung und Herstellung

Die einfachste Methode zur Herstellung keramischer Supraleiter ist eine thermochemische Festkörperreaktion, die Mischen, Kalzinieren und Sintern umfasst . Die entsprechenden Mengen an Vorläuferpulvern, üblicherweise Oxide und Carbonate, werden in einer Kugelmühle gründlich vermischt . Alternativ können Lösungsverfahren wie Kopräzipitation , Gefriertrocknung und Sol-Gel -Verfahren zur Herstellung einer homogenen Mischung eingesetzt werden. Diese Pulver werden mehrere Stunden lang im Temperaturbereich von 1070 bis 1220 K (800 bis 950 °C) kalziniert . Anschließend werden sie abgekühlt, erneut vermahlen und wieder kalziniert. Dieser Prozess wird mehrmals wiederholt, um ein homogenes Material zu erhalten. Die Pulver werden dann zu Pellets verpresst und gesintert. Die Sinterbedingungen, wie Temperatur, Glühzeit, Atmosphäre und Abkühlgeschwindigkeit, spielen eine entscheidende Rolle für die Qualität der Supraleiter bei hohen Sprungtemperaturen (T<sub> c</sub>) . Die Verbindung YBa₂Cu₃O₇₋ₓ wird durch Kalzinierung und Sintern eines homogenen Gemisches aus Y₂O₃, BaCO₃ und CuO im entsprechenden Atomverhältnis hergestellt . Die Kalzinierung erfolgt bei 1070 bis 1220 K (800 bis 950 °C), das Sintern bei 1220 K (950 °C) in Sauerstoffatmosphäre. Die Sauerstoffstöchiometrie ist entscheidend für die Bildung der supraleitenden Verbindung YBa₂Cu₃O₇₋ₓ . Beim Sintern entsteht die halbleitende tetragonale Verbindung YBa₂Cu₃O₆ , die sich bei langsamer Abkühlung in Sauerstoffatmosphäre in die supraleitende Verbindung YBa₂Cu₃O₇₋ₓ umwandelt . Die Sauerstoffaufnahme und -abgabe in YBa₂Cu₃O₇₋ₓ sind reversibel . Eine vollständig oxygenierte, orthorhombische YBa₂Cu₃O₇₋ₓ - Probe kann durch Erhitzen im Vakuum bei einer Temperatur über 973 K (700 °C ) in tetragonales YBa₂Cu₃O₆ umgewandelt werden . [ 3 ]

Die Herstellung von Bi-, Tl- und Hg-basierten Hochtemperatur - Supraleitern ist schwieriger als die von YBCO. Probleme bei diesen Supraleitern entstehen durch das Vorhandensein von drei oder mehr Phasen mit ähnlicher Schichtstruktur. Daher kommt es während der Synthese zu syntaktischem Verwachsen und Defekten wie Stapelfehlern, wodurch die Isolierung einer einzelnen supraleitenden Phase erschwert wird. Für Bi–Sr–Ca–Cu–O ist die Herstellung der Bi-2212-Phase ( T <sub>c</sub> ≈ 85 K) relativ einfach, wohingegen die Herstellung einer einzelnen Bi-2223-Phase ( T <sub>c</sub>  ≈ 110 K)  sehr schwierig ist . Die Bi-2212-Phase bildet sich bereits nach wenigen Stunden Sinterung bei 1130–1140 K (860–870 °C), während der größere Anteil der Bi-2223-Phase erst nach einer längeren Reaktionszeit von über einer Woche bei 1140 K (870 °C) entsteht. [ 6 ] Obwohl die Substitution von Pb in der Bi–Sr–Ca–Cu–O - Verbindung das Wachstum der Hochtemperaturphase fördert , [ 12 ] ist dennoch eine lange Sinterzeit erforderlich.

Geschichte

Zeitleiste der Supraleiter. Kuprate sind als blaue Rauten, Magnesiumdiborid und andere BCS-Supraleiter als grüne Kreise und eisenbasierte Supraleiter als gelbe Quadrate dargestellt . Kuprate sind derzeit die Hochtemperatur-Supraleiter, die sich für Drähte und Magnete eignen.

Der erste Kuprat-Supraleiter wurde 1986 von den IBM-Forschern Georg Bednorz und Karl Alex Müller im nicht-stöchiometrischen Kuprat Lanthan-Barium-Kupferoxid entdeckt . Die kritische Temperatur dieses Materials lag bei 35 K und damit deutlich über dem bis dahin erreichten Rekord von 23 K. [ 13 ] Diese Entdeckung führte zu einem starken Anstieg der Forschung an Kupraten, was zwischen 1986 und 2001 Tausende von Veröffentlichungen zur Folge hatte. [ 14 ] Bednorz und Müller erhielten 1987, nur ein Jahr nach ihrer Entdeckung, den Nobelpreis für Physik . [ 15 ]

Seit 1986 wurden viele Cuprat-Supraleiter identifiziert, die sich in einem Phasendiagramm (kritische Temperatur vs. Sauerstoff-Lochgehalt und Kupfer-Lochgehalt) in drei Gruppen einteilen lassen:

Im Jahr 2018 wurde die vollständige dreidimensionale Fermi-Oberflächenstruktur aus weichen Röntgen-ARPES-Spektren abgeleitet. [ 20 ]

Struktur

Die Elementarzelle des Hochtemperatur-Cuprat-Supraleiters BSCCO-2212

Cuprate sind Schichtmaterialien, die aus supraleitenden Kupferoxidschichten bestehen , welche durch Schichten mit Ionen wie Lanthan , Barium und Strontium getrennt sind . Diese Ionen dienen als Ladungsspeicher und dotieren die Kupferoxidschichten mit Elektronen oder Löchern. Die Struktur wird daher als Überstruktur aus supraleitendem CuO beschrieben.2Die durch Zwischenschichten getrennten Schichten ergeben eine Struktur, die oft eng mit der Perowskitstruktur verwandt ist . Supraleitung findet innerhalb des Kupferoxids ( CuO) statt.2) Schichten, wobei nur eine schwache Kopplung zwischen benachbarten CuO-Schichten besteht2Ebenen, wodurch die Eigenschaften denen eines zweidimensionalen Materials ähneln. Elektrische Ströme fließen innerhalb des CuO.2Schichten, was zu einer großen Anisotropie der normalen Leitungs- und Supraleitungseigenschaften führt, wobei die Leitfähigkeit parallel zur CuO-Schicht deutlich höher ist.2als in der Ebene in senkrechter Richtung.

Die kritischen Supraleitungstemperaturen hängen von der chemischen Zusammensetzung, dem Kationenaustausch und dem Sauerstoffgehalt ab. Chemische Formeln supraleitender Materialien enthalten üblicherweise Bruchzahlen, um die für die Supraleitung erforderliche Dotierung zu beschreiben. Es gibt mehrere Familien von Cuprat-Supraleitern, die sich anhand ihrer Elemente und der Anzahl benachbarter Kupferoxidschichten in jedem supraleitenden Block kategorisieren lassen. Beispielsweise können YBCO und BSCCO je nach Schichtanzahl ( n ) in jedem supraleitenden Block alternativ als Y123 bzw. Bi2201/Bi2212/Bi2223 bezeichnet werden. Die Supraleitungsübergangstemperatur erreicht ihr Maximum bei einem optimalen Dotierungswert ( p = 0,16) und einer optimalen Schichtanzahl in jedem supraleitenden Block, typischerweise n = 3.

Die undotierten „Stamm“- oder „Mutter“-Verbindungen sind Mott-Isolatoren mit antiferromagnetischer Fernordnung bei ausreichend tiefen Temperaturen. Einbandmodelle gelten im Allgemeinen als ausreichend, um die elektronischen Eigenschaften zu beschreiben.

Cuprat-Supraleiter enthalten üblicherweise Kupferoxide in den Oxidationsstufen 3+ und 2+. Beispielsweise wird YBa₂Cu₃O₇ als Y³⁺(Ba²⁺)₂(Cu³⁺)(Cu²⁺)₂(O²⁻)₇ beschrieben . Die Kupfer ( II ) - und Kupfer( III ) -Ionen ordnen sich tendenziell schachbrettartig an , ein Phänomen, das als Ladungsordnung bekannt ist . [ 21 ] Alle supraleitenden Cuprate sind Schichtmaterialien mit einer komplexen Struktur, die als Überstruktur von supraleitendem CuO beschrieben wird.2Die Schichten sind durch Zwischenschichten getrennt, wobei die Fehlanpassungsspannung zwischen den verschiedenen Schichten und die Dotierstoffe in den Zwischenschichten eine komplexe Heterogenität hervorrufen, die im Superstripes -Szenario eine intrinsische Eigenschaft für die Hochtemperatur-Supraleitung darstellt.

Supraleitungsmechanismus

Schematisches Dotierungsphasendiagramm von Kuprat-Hochtemperatursupraleitern

Die Supraleitung in Kupraten gilt als unkonventionell und lässt sich nicht durch die BCS-Theorie erklären . Mögliche Paarbildungsmechanismen für die Kuprat-Supraleitung sind weiterhin Gegenstand intensiver Diskussionen und weiterer Forschung. Ähnlichkeiten zwischen dem antiferromagnetischen Tieftemperaturzustand in undotierten Materialien und dem Tieftemperatur-Supraleitungszustand, der durch Dotierung entsteht – insbesondere dem d <sub>x² - y² </sub> -Orbitalzustand der Cu <sup>2+ </sup>-Ionen –, legen nahe, dass die Elektron-Phonon-Kopplung in Kupraten eine untergeordnete Rolle spielt. Jüngste Untersuchungen der Fermi-Fläche haben gezeigt, dass an vier Punkten in der antiferromagnetischen Brillouin-Zone , an denen Spinwellen existieren, eine Paarbildung auftritt und die supraleitende Energielücke an diesen Punkten größer ist. Die für die meisten Kuprate beobachteten schwachen Isotopeneffekte stehen im Gegensatz zu konventionellen Supraleitern, die gut durch die BCS-Theorie beschrieben werden.

1987 schlug Philip Anderson vor, dass Superexchange als Paarbildungsmechanismus in Hochtemperatursupraleitern fungieren könnte. 2016 entdeckten chinesische Physiker eine Korrelation zwischen der kritischen Temperatur eines Cuprats und der Größe der Ladungstransferlücke in diesem Cuprat, was die Superexchange-Hypothese stützt. Eine Studie aus dem Jahr 2022 zeigte, dass die variable Dichte tatsächlicher Cooper-Paare in einem Bismut-Strontium-Calcium-Kupferoxid -Supraleiter mit numerischen Vorhersagen auf Basis von Superexchange übereinstimmt. [ 22 ] Bislang besteht jedoch kein Konsens über den Mechanismus, und die Suche nach einer Erklärung dauert an.

Ähnlichkeiten und Unterschiede in den Eigenschaften von loch- und elektronendotierten Cupraten:

  • Vorhandensein einer Pseudolückenphase bis mindestens zur optimalen Dotierung.
  • Im Uemura-Diagramm zeigen sich unterschiedliche Trends in Bezug auf die Übergangstemperatur und die Supraflüssigkeitsdichte. Das Quadrat der London-Eindringtiefe scheint für viele unterdotierte Cuprat-Supraleiter proportional zur kritischen Temperatur zu sein, die Proportionalitätskonstante ist jedoch für loch- und elektronendotierte Cuprate unterschiedlich. Der lineare Trend deutet darauf hin, dass die Physik dieser Materialien stark zweidimensional ist.
  • Universelles sanduhrförmiges Merkmal in den Spinanregungen von Kupraten, gemessen mit Hilfe inelastischer Neutronenbeugung.
  • Der Nernst-Effekt ist sowohl in der supraleitenden als auch in der Pseudogap-Phase nachweisbar.
Abb. 1. Die Fermi-Fläche von zweilagigem BSCCO , berechnet (links) und mittels ARPES gemessen (rechts). Das gestrichelte Rechteck stellt die erste Brillouin-Zone dar .

Die elektronische Struktur supraleitender Cuprate ist stark anisotrop. Daher liegt die Fermi-Fläche von HTS nahe an der Fermi-Fläche des dotierten CuO.2Ebene (oder mehrere Ebenen im Falle von mehrschichtigen Cupraten) und kann im zweidimensionalen reziproken Raum (oder Impulsraum) des CuO dargestellt werden.2Gitter. Die typische Fermi-Fläche innerhalb des ersten CuO2Die Brillouin-Zone ist in Abbildung 1 (links) skizziert. Sie kann aus Bandstrukturrechnungen abgeleitet oder mittels winkelaufgelöster Photoemissionsspektroskopie ( ARPES ) gemessen werden. Abbildung 1 zeigt die Fermi-Fläche von BSCCO, gemessen mit ARPES. In einem weiten Bereich der Ladungsträgerkonzentration (Dotierungsgrad), in dem die p-dotierten HTS supraleitend sind, ist die Fermi-Fläche lochartig ( d. h. offen, wie in Abbildung 1 dargestellt). Dies führt zu einer inhärenten In-Plane-Anisotropie der elektronischen Eigenschaften von HTS. [ 20 ]

Die Struktur supraleitender Cuprate ist oft eng mit der von Perowskiten verwandt . Sie wird als verzerrte, sauerstoffarme, mehrschichtige Perowskitstruktur beschrieben. Eine der Kristallstruktureigenschaften von Oxid-Supraleitern ist eine alternierende Mehrschichtstruktur aus CuO.2Ebenen mit Supraleitung zwischen diesen Schichten. Je mehr CuO -Schichten2Je höher die Übergangstemperatur T<sub> c</sub> , desto größer ist diese Temperatur. Diese Struktur verursacht eine starke Anisotropie der normalleitenden und supraleitenden Eigenschaften, da die elektrischen Ströme durch Löcher transportiert werden, die in den Sauerstoffplätzen des CuO induziert werden.2Die Folien weisen eine deutlich höhere elektrische Leitfähigkeit parallel zur CuO-Schicht auf.2als in der Ebene in senkrechter Richtung.

Die kritischen Temperaturen hängen von der chemischen Zusammensetzung, den Kationensubstitutionen und dem Sauerstoffgehalt ab. Sie lassen sich als Superstreifen klassifizieren ; d. h. als spezielle Realisierungen von Supergittern an der atomaren Grenze, bestehend aus supraleitenden Atomlagen, Drähten und Punkten, die durch Abstandsschichten getrennt sind und zusammen Mehrband- und Mehrlücken-Supraleitung ermöglichen.

Anwendungen

BSCCO- Supraleiter finden bereits in großem Maßstab Anwendung. Beispielsweise werden im Large Hadron Collider am CERN [ 23 ] Dutzende Kilometer BSCCO-2223 -Supraleiterdrähte bei 77 K in den Stromzuführungen verwendet (die Hauptfeldspulen bestehen jedoch aus metallischen Tieftemperatursupraleitern, hauptsächlich auf Basis von Niob-Zinn ).

Siehe auch

Bibliographie

Referenzen

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