Kvantu turbo, lai nezaudētu jaudu

Kvantu efekti krasi palielina nanodaļiņu supravadītspēju noteiktos izmēros

Ielieciet pirkstu uz nanodaļiņām: mākslinieciskais attēlojums simbolizē vienas alvas nanodaļiņas supravadītspējas noteikšanu ar skenējošās tuneļu mikroskopijas palīdzību. Eksperimenti rāda, ka kvantu ietekme nanodaļiņās ar “maģiskiem” izmēriem spēcīgi palielina supravadītspēju. © I. Briuhega / MPI par cietvielu pētījumiem
lasīt skaļi

Kad metāla daļiņa zaudē savu elektrisko pretestību un kļūst supravadīta, tas ir jautājums arī par tā lielumu. Saskaņā ar teoriju, ir "maģiski" izmēri nanodaļiņām, kurās supravadītspēja pēkšņi palielinās līdz pat 60 procentiem. Kur tieši šie izmēri atrodas, pētnieki tagad pirmo reizi parādīja eksperimentā. Viņu rezultāti, kas publicēti žurnālā "Nature Materials", sniedz jaunus sākumpunktus, lai tuvotos bezspēcīgajai elektropārvades līnijai pat istabas temperatūrā.

Izmantojot materiālus, kas pārvadā elektrību pat vasaras temperatūrā bez pretestības, varētu ietaupīt daudz enerģijas. Supervadītāji to principā var darīt. Bet šobrīd labākie supravadītāji dod savu pretestību tikai zem apmēram mīnus 170 grādiem pēc Celsija. Kaut arī supravadītspēja istabas temperatūrā vēl ir tāla, Štutgartes Maksa Planka Cietvielu stāvokļa izpētes institūta pētnieki tagad tai ir mazliet tuvinājušies. Viņi ir dramatiski paaugstinājuši kritisko temperatūru, zem kuras materiāls kļūst par supravadītāju. rodas, ģenerējot noteikta lieluma nanodaļiņas.

Enerģijas stāvoklis kvantēts kā "apvalka efekts"

Šis kritiskais temperatūras lēciens - fiziķi runā par supravadītspējas palielināšanos - jo enerģijas stāvokļi nanodaļiņās ir kvantēti. Daži nanodaļiņu atomi var aizņemt tikai nelielu skaitu enerģētisko stāvokļu. No otras puses, lielākā materiāla gabalā tie veido plašu joslu no ļoti daudziem ļoti tuviem stāvokļiem. Tāpēc kvantu stāvokļu ierobežojums pēkšņi un bieži neparedzēti maina nanoskopisko sistēmu īpašības. "Zemu dimensiju supravadītājos viena no pārsteidzošākajām sekām ir apvalka efektu parādīšanās, kas palielina supravadītspēju, " skaidro Klauss Kerns, Štutgartē bāzētā Maksa Planka institūta direktors.

Teorētiski fiziķi jau ilgu laiku ir paredzējuši šādus apvalka efektus. Attiecīgi metālisko nanodaļiņu elektroni aizņem noteiktus apvalkus - līdzīgi kā elektronu apvalki ap atomu kodoliem. Daži elektronu skaitļi atvieglo elektronu pievienošanos Kūpera pāriem, kas var pārvietoties pa materiālu bez pretestības. Tas, kad čaumalās pulcējas šie maģiskie elektroni, cita starpā ir atkarīgs no daļiņu lieluma un formas.

Puslodes "šķirne" vakuumā

"Eksperimenti, lai apstiprinātu prognozētos kvantu efektus, ir ārkārtīgi prasīgi un sasniedz tehniski iespējamo robežu, " saka Sangita Bose, kura kopā ar Ivanu Brihuega pirmo reizi ir pētījusi, cik zaļa ir atsevišķu ietekmēto nanodaļiņu supravadošais stāvoklis. Šim nolūkam pētnieki audzēja ārkārtīgi labā vakuumā sākotnēji precīzas puslodes, kas izgatavotas no alvas un svina, kuru augstums tika apzināti noteikts no viena līdz 50 nanometriem. displejs

Pēc tam, izmantojot īpašu skenējošo tunelēšanas mikroskopu, ko izstrādājuši Maksa Planka institūta pētnieki, fiziķi pēc tam pārbaudīja nanodaļiņu elektroniskās īpašības temperatūrā, kas tuvu absolūtajai nullei ir ap mīnus 273 grādiem pēc Celsija. Ar ļoti augstu izšķirtspēju viņi noteica supravadošās enerģijas spraugas katrai daļiņai. Pēc tam enerģijas spraugas rada kritiskās temperatūras, kurās notiek supravadītspēja.

Pirmo reizi eksperimenta laikā veikto lēcienu pierādījums

Eksperimenti parādīja, ka alvas nanodaļiņu supravadošās enerģijas sprauga ir ļoti jutīga pret daļiņu lielumu. Tomēr tas nepārtraukti nesamazinās un nepalielinās vienmērīgi, bet gan lec uz priekšu un atpakaļ. "Sākumā tas izskatās kā troksnis, bet atbilst teorijas prognozēm, " saka Kerns. Izmērs ir jāmaina tikai ar nanometra frakcijām, un kritiskā temperatūra lec uz augšu, pirms tā krasi pazeminās nākamajā mazākajā daļiņā.

Svina nanodaļiņām efekts ir daudz vājāks. Tomēr abos materiālos supravadītspēja vispār nenotiek, ja daļiņas ir mazākas par četriem nanometriem. "Lai gan tas teorētiski tika prognozēts pirms 50 gadiem, mēs tagad to pirmo reizi parādījām uz atsevišķām daļiņām, " skaidro cietvielu fiziķis Ivans Brihuega.

Koh renzl nge dažādi

Lai teorētiski samazinātu eksperimenta rezultātus, Lisabonas Instituto Superior Technico zinātnieks Antonio M. Garc a-Garc a un Huans D. Urbina no Rēgensburgas universitātes veica labojumus daļiņu ierobežotais apjoms un forma tiek ieviesta standarta BCS teorijā par supravadītājiem. Viņu aprēķini ļoti labi atspoguļo eksperimentālos rezultātus. Tie arī atspoguļo, ka supravadītspēja ir ļoti atšķirīga atkarībā no alvas nanodaļiņu lieluma. Svina gadījumā efekts tomēr gandrīz nenotiek.

UnterschiedlicheDivu metālu uzvedības atšķirības var izskaidrot ar koherences garuma atšķirību, kas raksturo elektronu pāru supravadītspējas telpisko apmēru, "skaidro Sangita Bose no MPI par cietvielu pētījumiem. Koherences garums alvā ir daudz lielāks nekā svina, kas alvu padara daudz jutīgāku pret kvantu iedarbību.

Tā kā kvantu mehāniskā apvalka efekti rodas visos materiālos, tos var izmantot, lai palielinātu daudzu materiālu supravadītspēju. "Ar mērķtiecīgu nanostrukturēšanu kvantu inženierija paver pilnīgi jaunu perspektīvu supravadītspējai un piedāvā arī daudzsološas tehnoloģiskas iespējas, " saka Kerns.

(Maksa Planka biedrība, 08.06.2010. - NPO)