160. obljetnica rođenja Andrije Mohorovičića        21. travnja - DAN PMF-a

   Visokotemperaturni supravodiči (skraćeno high-Tc, HTSC ili HTS) su materijali koji na nekoj temperaturi (iznad 30 K) poprime supravodljiva svojstva. Od 1957. do 1980. godine, 30 K je bila najviša teorijski predviđena temperatura supravodljivog prijelaza (Tc). Prvi visokotempraturni supravodič su 1986. godine otkrili Karl Müller i Johannes Bednorz, za što im je dodijeljena Nobelova nagrada za fiziku (1987.). Izraz visokotemperaturni supravodič se dugo smatrao sinonimom za kuprate (spojevi bakar oksida CuO2) do otkrića supravodiča sa spojevima željeza (2008.). Najpoznatiji (i najistraživaniji) visokotemperaturni supravodiči su keramički materijali sastavljeni od itrij-barij-bakar oksida (YBCO) i bizmut-stroncij-bakar oksida (BSCCO).

   „Visoka temperatura“ u kontekstu visokotmperaturne supravodljivosti, zadovoljava tri uobičajena uvjeta:

  • Temperatura iznad 30 K; povijesno uzeta kao gornja granica koju je predvidjela BCS teorija. Zadnji rekord prije otkrića kuprata je bio 23 K postavljen 1973. godine.

  • Omjer temperature prijelaza (Tc) i Fermijeve temperature (TF) je veći nego u konvencionalnim supravodičima (npr. živa ili olovo). Ovaj kriterij pokriva veći spektar nekonvencionalnih supravodiča i često se koristi u teorijskim modelima.

  • Temperatura iznad temperature tekućeg dušika (77 K, tj -196 °C). Ovo je izrazito bitno za primjenu u tehnologiji jer je tekući dušik mnogo jeftiniji od ostalih kriogenih tekućina (helij, vodik) i lako se transportira.

   Tehnološka primjena ovih materijala je veća i zbog više temperature prijelaza, i zbog veće otpornosti supravodljivosti na magnetskog polje (i jakost struje). U proizvodnji magneta veću prednost ima otpornost na magnetsko polje od visoke temperature prijelaza. Kuprati imaju jakost kritčnog polja oko 100 T. Međutim, kupratne keramike su krhke i njihova proizvodnja je skupa, te se teško od njih naprave žice ili drugi korisni oblici. Unatoč tome, koriste se u proizvodnji jakih magneta raznih veličina.

   Više od dvadeset godina intenzivnog eksperimentalnog i teorijskog istraživanja, s više od 100 000 objavljenih radova na temu supravodljivosti otkrili su mnoga svojstva visokotemperaturnih supravodiča, ali ni dan danas nema valjane teorije koja sasvim objašnjava sva popratna svojstva tog fenomena. Kupratni supravodiči (i ostali nekonvencionalni supravodiči) se razlikuju u mnogim svojstvima od konvencionalnih supravodiča (živa, olovo, niobij), čija se svojstva mogu dobro opisati BCS teorijom. Također, postoje mnoge rasprave da li visokotemperaturna supravodljivost koegzistira s magnetskim uređenjem. Visokotemperaturni supravodiči su supravodiči tipa II, što znači da mogu izdržati prodiranje magnetskog polja unutar materijala u obliku diskretnih tokova (virova), te su potrebna mnogo viša magnetska polja da potisnu supravodljivost. Budući da im je osnovna struktura slojevita, utjecaj magnetskog polja nije izotropan.

 

Kuprati

Ranije smo spomenuli da pojedini elementi u spoju imaju ulogu donora. Raznim dopiranjima mogu se postići razna svojstva koja se prikazuju u faznom dijagramu.

Fizički odsjek

Na slici se vidi pojednostavljeni fazni dijagram1 kupratnih supravodiča s elektronskim i šupljinskim dopiranjem. Prikazane faze su antiferomagnetska (AF) faza blizu dopiranja p = 0, supravodljiva (SC) faza oko dopiranja p = 0.16 i faza pseudoprocjepa (područje ispod crtkane linije). Također su prikazani i rasponi dopiranja za pojedine spojeve.

 

Kupratni supravodiči se općenito smatraju kvazi-dvodimenzionalnim spojevima čija su supravodljiva svojstva određena elektronima koji se gibaju po slabo vezanim ravninama bakar oksida. Između slojeva bakar oksida najčešće se nalaze Y, Ba, Sr, Bi, La, Nd ili drugi elementi koji stabiliziraju spoj i imaju ulogu donora. Ravnine ne moraju biti kristalografski ekvivalentne, pa osnovna ćelija može imati jednu, dvije ili više ravnina. Tako se mogu tvoriti obitelji spojeva gdje su građevne jedinice iste, samo se mijenjaju njihovi stehiometrijski omjeri. Nedopirani spoj je Mottov izolator s dugodosežnim antiferomagnetskim uređenjima ispod neke temperature (TN). U teorijskim razmatranjima se često koristi 2D Hubbard model koji se smatra standardnim modelom jako koreliranih sistema2. Postoje i drugi modeli, kao npr Emery model3 s tri vrpce koji je nešto kompliciraniji ali i realističniji. Pokazalo se da Emeryev model može opisati sistem u raznim granicama gdje se neka fizikalna ponašanja jednostavnije vide, i to uz veću matematičku kontrolu parametara nego u Hubbardovom modelu.

 

YBa2Cu3O6+x

La2-xSrxCuO4

 

 

 

 

HgBa2CuO4+x

Nd2-xCexCuO4

Struktura kuprata je perovskitna. Ravnine bakar oksida tvore pravokutne ćelije s O2- ionima u vrhovima i s Cu2+ ionom u središtu. Jedinična ćelija je rotirana za 45° od pravokutnika. Dopiranje se postiže ubacivanjem pojedinog elementa na novu kristalografsku poziciju ili zamjenom elementa na već postojećoj, koja može biti unutar ili van bakar oksid ravnine. Najviša vrijednost temperature prijelaza je na optimalnom dopiranju koje se nalazi oko p = 0.16 i za optimalni broj ravnina u pojedinoj ćeliji, tipično n = 3.

Sam mehanizam supravodljivosti još nije razjašnjen, no pojedina svojstva su zajednička svim obiteljima supravodiča. Sličnost između niskotemperaturnog antiferomagnetskog stanja nedopiranih spojeva i supravodljivog stanja dopiranih, primarno dx2 - dy2 stanja Cu2+ iona ukazuje da su elektron-elektron interakcije značajnije od elektron-fonon interakcija; što je još jedna nekonvencionalnost visokotemperaturnih supravodiča. Također, slaba osjetljivost izotopnog efekta u većini kuprata odudara od ponašanja zapaženog u konvencionalnim supravodičima.

 

Jako lijepi pregled istraživanja supravodljivosti u oksidnim spojevima se može naći u članku A. Müllera. [PDF]