ეს მუშაობა დაიწყო 1975 წელს, მოსკოვის ელექტრონული ტექნოლოგიების ინსტიტუტში სადიპლომო პროექტის დასრულებისას. შემდეგ მინდოდა შემექმნა ფირის აქტიური ელემენტი ცხელი ელექტრონების გამოყენებით. მაგრამ როდესაც შევიტყვე 1963 წელს შემოთავაზებული გინზბურგ-კირჟნიცის ჰიპოთეზის შესახებ, მივხვდი, რომ სენდვიჩები, რომლებიც უნდა შემექმნა, ზუსტად აკმაყოფილებდა ამ ჰიპოთეზის მოთხოვნებს.

1957 წელს ბარდინ-კუპერ-შრიფერმა შექმნა ზეგამტარობის თეორია, სადაც ზეგამტარობის ფენომენში მთავარი როლი ენიჭება დაწყვილებული ელექტრონების წარმოქმნას ფონონებთან ურთიერთქმედების გზით და ლითონის ზეგამტარობის მდგომარეობაში გადასვლის კრიტიკული ტემპერატურა განისაზღვრება ფონონების გარკვეული დამახასიათებელი ტემპერატურა. ეს დამახასიათებელი ტემპერატურა დაახლოებით უდრის ფონონების დების ტემპერატურას, ხოლო ლითონის ზეგამტარ მდგომარეობაში გადასვლის კრიტიკული ტემპერატურა განისაზღვრება ფორმულით:

სადაც გ ელექტრონებს შორის მიზიდულობის ძალის პროპორციული მუდმივი. ვინაიდან ფონონების დებაის ტემპერატურა არ შეიძლება აღემატებოდეს რამდენიმე ასეულ გრადუსს, მაშინ ზეგამტარობის ფონონის მექანიზმის უხეშმა შეფასებამ აჩვენა, რომ ფონონის მექანიზმის კრიტიკული ტემპერატურა არ შეიძლება აღემატებოდეს 25°K-ს. ამიტომ გინზბურგ-კირჟნიცმა შესთავაზა სხვა ნაწილაკების გამოყენება დაწყვილებისთვის. ელექტრონები, მაგალითად, ელექტრონ ექსციტონების ტიპი. მას შემდეგ, რაც დებაის ექსციტონების ტემპერატურა შეიძლება იყოს ათასობით და თუნდაც ათიათასობით გრადუსი, უხეშმა თეორიულმა გამოთვლებმა აჩვენა, რომ ექსციტონური მექანიზმის კრიტიკულმა ტემპერატურამ ლითონის ზეგამტარ მდგომარეობაში გადასვლისთვის შეიძლება მიაღწიოს 300 ° K ან მეტს, რაც შეესაბამება ოთახის ტემპერატურაზე და ზემოთ. ასე დაიბადა გინზბურგ-კირჟნიცის სენდვიჩის დიზაინი ზეგამტარობის აგზნების მექანიზმისთვის, რომელსაც ხედავთ 1 ნახატზე, თუმცა ახლა ზუსტად ვიცი, რომ ასეთ სენდვიჩში ელექტრონების დაწყვილება არასოდეს მოხდება ეგციტონებთან ურთიერთქმედების გზით.

ნახ.1 სენდვიჩი ზეგამტარობის აგზნების მექანიზმისთვის.

უფრო მეტიც, შემიძლია ვთქვა, რომ მაღალი ტემპერატურის ზეგამტარობის აგზნების თეორიის შემუშავების დროს მოხდა უზუსტობა ელექტრონული ტალღის ფუნქციების გამოთვლაში, ასე რომ, ექსციტონის მექანიზმის კრიტიკულმა ტემპერატურამ შეიძლება მიაღწიოს არა მხოლოდ ოთახის ტემპერატურას, არამედ რამდენიმეს გადააჭარბოს. ჯერ. იმ დროს მე მქონდა შესაძლებლობა შევხვედროდი მაღალტემპერატურული ზეგამტარობის თეორიის ერთ-ერთ შემქმნელს. როდესაც მე ვკითხე, შეიძლებოდა თუ არა ზეგამტარობის აგზნების მექანიზმი წარმოიქმნას სტრუქტურაში, რომელიც შედგება ლითონის ბურთულებისგან, რომლებიც ზომავს რამდენიმე ინტერატომურ მანძილს, გარშემორტყმული დიელექტრიკის თხელი ფენით და შეკუმშული ატომთაშორის მანძილზე. მან უპასუხა, რომ სწორედ ასეთ სტრუქტურებში უნდა იყოს დაცული. მას შემდეგ მან დაიწყო მრავალფენიანი სენდვიჩების შექმნა, რომლებშიც ძირითად ფენას ზემოთ აღნიშნული სტრუქტურა ჰქონდა. სადისერტაციო პროექტის დასასრულს აღმოვაჩინე, რომ რამდენიმე ნიმუშზე არის დენის ნახტომი დენის ძაბვის მახასიათებლებში და მათი გამტარობა იცვლება სიდიდის ბრძანებით გარკვეულ ძაბვაზე. ეს ნაჩვენებია ნახ. 2-ში. სურათი 3 გვიჩვენებს ზეგამტარ-იზოლატორ-ზეგამტარული სტრუქტურების ტიპურ მახასიათებელს.

სურ.2 V.A.H. გაზომილი ნიმუშები 1976 წელს

ნახ. 3 კონსტრუქციების ტიპიური დენის-ძაბვის მახასიათებლები ზეგამტარი იზოლატორი ზეგამტარი.

დენ-ძაბვის მახასიათებლის ასეთი ქცევა შესწავლილ მოვლენებში არსებობს მხოლოდ ზეგამტარ-იზოლატორ-ზეგამტარ სტრუქტურებში (S - I -S). მე კვლავ შევხვდი მაღალი ტემპერატურის თეორიის ერთ-ერთ შემქმნელს და მოვახერხე მისი დარწმუნება, რომ ასეთი მახასიათებლები შეიძლება მიენიჭოს სტრუქტურებს.S-I-ს. მას არ სჯეროდა ამ შედეგების, რადგან მათ თეორიულად დაამტკიცეს, რომ პრაქტიკულად შეუძლებელია ზეგამტარობის აგზნების მექანიზმის პრაქტიკაში განხორციელება, რადგან ლითონს უნდა ჰქონდეს 5A სისქე და ეს არის ერთი ატომური ფენა, რომლის მიღება შეუძლებელია. მაგრამ თეორია თეორიაა და პრაქტიკა რჩება ჭეშმარიტების კრიტერიუმად.

ვფიქრობდი, რომ დავალებით ვორონეჟში ჩასულს, მაშინვე შემეძლო მუშაობის გაგრძელება. მაგრამ ბედი სხვაგვარად გამოვიდა. და როცა წავიკითხე სტატია 1987 წელს. სუპერგამტარი კერამიკის აღმოჩენის შესახებ, სადაც ეწერა, როდესაც მიულერი მივიდა ბედნორცში და ჰკითხა, როგორ შეექმნა სტრუქტურა, რომელიც შედგება რამდენიმე ინტერატომური ზომის ლითონის ბურთულებისგან, გარშემორტყმული დიელექტრიკის თხელი ფენით და შეკუმშული ატომთაშორის მანძილზე. მან უპასუხა კერამიკის აგლომერებით. ასე დაიბადა სუპერგამტარი კერამიკა, კრიტიკული ტემპერატურა, რომელიც იმ დროს აღწევდა 112°K-ს. ამის შემდეგ ვფიქრობდი, რომ ისინი მალე მიაღწევდნენ ოთახის ტემპერატურას. ერთადერთი, რამაც ცოტა დამამშვიდა ის იყო, რომ ნიმუშები მიიღეს არა კერამიკის აგლომერაციით, არამედ გარკვეულ გარემოში ბუნებრივი კულტივირებით. ამ შეტყობინების შემდეგ მე მთლიანად მივატოვე სუპერგამტარობა. მაგრამ ზეგამტარი კერამიკის აღმოჩენიდან თითქმის ოცი წელი გავიდა და ოთახის ტემპერატურაზე სუპერგამტარობის აღმოჩენის შესახებ ინფორმაცია არ ყოფილა.

2002 წლის დეკემბერში მე გამიჩნდა იდეა, რომ კიდევ ერთხელ გამომეკვლია თითქმის 30 წლის წინ გაკეთებული ნიმუშები. ავტოფარეხში მივედი, ჩემს სტუდენტს ჩემოდანი გავხსენი და ლაბორატორიაში მივიტანე. ახლა კი იმის შესახებ, რაც მათზე დავინახე.

ნახ.4 , ბრინჯი.5 , ბრინჯი.6 , ხედავთ სამ გრაფიკს და VAC., ზემოთნახევრად რა1976 წელს დაბადებული, ცენტრში არის ტიპიური დენის ძაბვის მახასიათებელი. სტრუქტურებისთვის S-I-S,ბოლოში CVC. ნიმუშები გაზომილია 2002 წელს

სურ.4 V.A.H. მოზომილი 1976 წელს

ნახ.5 ტიპიური V.A.H. S-I-S სტრუქტურები.

სურ.6 V.A.H. მოზომილი 2002 წელს

ყველა მათგანს აქვს სამი დამახასიათებელი განყოფილება, საწყისი მაღალი წინააღმდეგობით, შემდეგ როდესაც ძაბვა მიაღწევს 2Δ /ე , მიმდინარე ნახტომი და მესამე, როგორც ჩვეულებრივი გვირაბების გაყვანისას ლითონ-იზოლატორ-ლითონის კონსტრუქციებში. მაგრამ თუ მიღებული მახასიათებლები ასოცირდება ზეგამტარობის ფენომენთან, მაშინ უნდა არსებობდეს კრიტიკული ტემპერატურა, რომლის დროსაც ზეგამტარობა ქრება. ნიმუშების პირდაპირი დენის წყაროსთან შეერთებისას, დენის ძაბვის მახასიათებელზე. შეინიშნება გესტირეზის მარყუჟი. უფრო მეტიც, გესტირეზის სიგანე არის ტემპერატურის ფუნქცია და კრიტიკულ ტემპერატურაზე ხდება ნულის ტოლი. ნახ. 7-ში ხედავთ გესტირეზის სიგანის დამოკიდებულებას ტემპერატურაზე.

ნახ. 7. გესტირეზის სიგანის დამოკიდებულება ტემპერატურაზე:

ა) 77.°K-ზე, ბ) 300.°K-ზე, გ) 620°K-ზე.

შეიძლება ვივარაუდოთ, რომ ასეთ რთულ ფენოვან სენდვიჩებში ჰისტერეზი შეიძლება გამოწვეული იყოს მობილური იონებით. მაგრამ ამ შემთხვევაში, ტემპერატურის შემცირებით, გესტირეზის სიგანე უნდა შემცირდეს, რადგან იონების მობილურობა მცირდება. ხოლო 7-ის გრაფიკებში ჩვენ ვხედავთ საპირისპირო სურათს: ტემპერატურის კლებასთან ერთად იზრდება გესტირეზის სიგანე, რაც დამახასიათებელია მხოლოდ სტრუქტურებისთვის. S-I-ს. ამ შედეგების საფუძველზე შეგვიძლია დავასკვნათ, რომ შესწავლილი ნიმუშების ზეგამტარ მდგომარეობაში გადასვლის კრიტიკული ტემპერატურა არის დაახლოებით 620°K. ან 350°C.

თუ ეს ნიმუშები სუპერგამტარია, მაშინ ჯოზეფსონის ეფექტები მათზე უნდა იყოს წარმოდგენილი. ნიმუშის ნაწილებად დაყოფით, გამოვლინდა ადგილები, სადაც დიელექტრიკის სისქე ლითონებს შორის არ აღემატებოდა 20 Å-ს. მრუდის ტრასერებზე შერჩეული ნიმუშების გაზომვისას, ალტერნატიული ძაბვის გამოყენებისას 50 ჰც სიხშირით. ეკრანზე ელიფსი დაფიქსირდა. ამის ნახვა შეგიძლიათ მე-8 სურათზე

სურ.8. ელიფსი ალტერნატიულ ძაბვაზე.

ნახ.9. ელიფსი პლუს პულსებინაბიჯების გენერატორი.

როგორც ერთმა მოსკოველმა პროფესორმა მითხრა: ელიფსს, როგორც ელიფსს, საინტერესო არაფერია. მართლაც, სწორი გეომეტრიული ფორმა აქვს და თავად ელიფსში არაფერია საინტერესო. საინტერესო ის არის, თუ როგორ იქნა მიღებული იგი პერსონაჟოგრაფის ეკრანზე. ელიფსის მიღების ორი გზა არსებობს: ერთი სიგნალის წყაროდან R-C ჯაჭვის გავლით ან ორი სიგნალის წყაროდან. პირველი ვარიანტის სიმულაცია მოხდა კომპიუტერული პროგრამის გამოყენებით. როდესაც ელიფსი უახლოვდებოდა ვერტიკალურ ან ჰორიზონტალურ ღერძს, ელიფსი გადაგვარდა სწორ ხაზში. და როგორც ხედავთ 8-ზე, ელიფსი თითქმის ჰორიზონტალურია. ეს ნიშნავს, რომ ელიფსი მიიღეს ორი სიგნალის წყაროს გამოყენებით. თუ სიგნალის ერთი წყარო არის მრუდის ტრასერი, მაშინ მეორე სიგნალის წყარო შეიძლება იყოს მხოლოდ შესწავლილი ნიმუში. თუ დააკვირდებით ლეღვს. 9 სხვა მრუდის ტრასერზე, მაშინ როდესაც საფეხურის გენერატორი ჩართულია, ელიფსზე შეინიშნება საფეხურის გენერატორის პულსები. ნიმუში იქცევა ისე, რომ რასაც სიგნალი იღებს, ის წარმოქმნის. მე ვიცი, რომ არაფერია ცნობილი ჯოზეფსონის კვანძებით დაბალი სიხშირის გენერირების შესახებ. მაგრამ ამის შემოწმება ადვილია მათთვის, ვისაც აქვს ამ გადასვლებთან მუშაობის შესაძლებლობა. საკმარისია ერთ-ერთი სუპერგამტარის შეერთება ტევადობის საშუალებით და მრუდი-სიმბოლოების ეკრანზე დააკვირდებით ელიფსს და პულსებს და ნებისმიერ სხვა სიგნალს, რომელიც გამოიყენება მრუდი-ნიშანში.

მუდმივი დენის დროს ნიმუშების შესასწავლად ამოღებულია ტევადობა. ნიმუში დაკავშირებული იყო მრუდის ტრასერთან, როგორც პირდაპირი დენის წყაროსთან. შედეგად, ნიმუშზე ნულოვანი ძაბვის დროს, მასში პირდაპირი დენი გადიოდა. ამის ნახვა შეგიძლიათ მე-10 სურათზე. ზეგამტარობაში ასეთ დენს ეწოდება მუდმივი ზეგამტარი ჯოზეფსონის დენი და გამოწვეულია კუპერის წყვილების გვირაბით, როდესაც მათი ფაზური თანმიმდევრულობა დარღვეულია.

სურ. 10. სუპერგამტარი დენი, ნიმუშზე ნულოვანი ძაბვის დროს.

სურ. 11. ზეგამტარი დენის დამოკიდებულება მაგნიტურზე ველები.

სურ. 12. კონტროლითანზეგამტარი ელექტრო შოკი

თუ ეს არის ზეგამტარი დენი, მაშინ მაგნიტურ ველში მან უნდა მისცეს დიფრაქციის ნიმუში. ექსპერიმენტი ჩატარდა მუდმივი მაგნიტების გამოყენებით და მანძილი მაგნიტსა და ნიმუშს შორის იცვლებოდა. დენი გაზომილი იყო მაგნიტსა და ნიმუშს შორის მანძილის ფუნქციით. მიღებული შედეგები შეგიძლიათ იხილოთ ნახ.11-ზე. მარცხნივ დახრილობა, ზეგამტარობის თეორიის მიხედვით, დაკავშირებულია გარე ველზე საკუთარი მაგნიტური ველის დამატებასთან, რომელიც წარმოიქმნება შეერთების გავლით მაღალი დენების დროს. მაშინვე მინდა ვთქვა, რომ სენდვიჩის შემადგენელი თითოეული ფენის ცალ-ცალკე შემოწმებისას, არც ერთი ზემოაღნიშნული მახასიათებელი არ დაფიქსირებულა. მაშასადამე, შეიძლება ვივარაუდოთ, რომ კუპერის წყვილების წარმოქმნა ხდება მთავარ ფენაში ელექტრონების ურთიერთქმედების შედეგად სხვა ფენის ნაწილაკებთან. შესაძლოა, ეს არის ექსციტონური მექანიზმი. და თუ ეს ასეა, მაშინ სენდვიჩში არსებული დამატებითი ლითონის ელექტროდის დახმარებით ზეგამტარი დენი ადვილად კონტროლდება. როდესაც საფეხურის გენერატორიდან იმპულსები გამოიყენეს დამატებით ელექტროდზე, გამომავალი მახასიათებლების ოჯახი გამოჩნდა მრუდის გრაფიკის ეკრანზე. ამის ნახვა შეგიძლიათ მე-12 სურათზე. იგი წააგავს ტრანზისტორი გამომავალი მახასიათებლების ოჯახს. მაშასადამე, სუპერგამტარი დენის კონტროლის ეფექტის გამოყენებით, შესაძლებელია შეიქმნას აქტიური ელემენტები ელექტრული სიგნალების კონვერტაციისა და გაძლიერებისათვის. ამ ეფექტის გამოყენებით შექმნილ მოწყობილობებს შეუძლიათ მუშაობა 0°K ტემპერატურაზე. 620°K-მდე. და 100 გჰც-ზე მეტი სიხშირეზე. ამრიგად, მე-12 სურათზე ხედავთ პირველი ზეგამტარი აქტიური მოწყობილობის მახასიათებლებს ელექტრული სიგნალების გარდაქმნისა და გამაძლიერებლად.

ახლა კი მიკროტალღური ელექტრომაგნიტური ტალღების შთანთქმისა და ემისიის შესწავლის შესახებ. ნიმუში დაკავშირებული იყო მრუდის ტრასერთან, როგორც ძაბვის წყარო. ჯოზეფსონის შეერთების საწყისი მონაკვეთი ჩანს ნახაზზე 13.

ნახ.13. დენის ძაბვის მახასიათებლის საწყისი მონაკვეთი.

ნახ. 14. დენის ძაბვის მახასიათებელი. როდესაც ექვემდებარება მიკროტალღური ელექტრომაგნიტური ტალღები.

სურ. 15. ძირითადი ფენის სტრუქტურა.

მონაკვეთის დასაწყისში შეინიშნება ჰისტერეზი, რომლის სიგანე დამოკიდებულია მაგნიტურ ველზე. როდესაც მაგნიტური ველი გამოიყენება, გესტირეზის სიგანე იზრდება. ეს გადასვლა ექვემდებარებოდა მიკროტალღებს. რადიაცია და შედეგები წარმოდგენილია ნახ. 14. როგორც ხედავთ, ელექტრომაგნიტური ტალღების შთანთქმის შედეგად წარმოიქმნა ჰორიზონტალური საფეხური. ამ ნაბიჯის სიდიდე ვოლტებში დაკავშირებულია დასხივების სიხშირესთან, ელექტრონის მუხტთან და პლანკის მუდმივთან. პლანკის მუდმივის წინასწარი გაზომვები და გამოთვლები აჩვენებს, რომ მისი მნიშვნელობა ემთხვევა ცხრილის მნიშვნელობას 0,02 პროცენტის სიზუსტით. სიზუსტის გასაუმჯობესებლად საჭიროა დაკალიბრებული საზომი ხელსაწყოები. ახლა კი ელექტრომაგნიტური ტალღების გამოსხივების შესახებ. თუ გაზრდით ნიმუშში გამავალ დენს, ზედაპირის ზემოთ წარმოიქმნება წითელ-იისფერი პლაზმური ბურთულები, რაც შეესაბამება ჰაერის პლაზმას. ეს ხდება გამოსხივებული მიკროტალღების ინტენსივობის დროს. ელექტრომაგნიტური ტალღები აღწევს ჰაერის მოლეკულების იონიზაციისთვის საკმარის მნიშვნელობებს. პლაზმური მძივების წარმოქმნის შედეგად ნიმუშის ზედაპირზე წარმოიქმნება კვალი, რომელიც ოდნავ ავლენს სენდვიჩის ძირითადი ფენის მასალის სტრუქტურას. ამის ნახვა შეგიძლიათ მე-15 სურათზე. ფოტო გადაღებულია ძალიან მაღალი გადიდებით, ამიტომ სიცხადე არც თუ ისე კარგია.

ახლა მოდით ვისაუბროთ მიღებულ შედეგებზე. მომიწია მეცნიერებთან და სპეციალისტებთან შეხვედრა. ზოგიერთი მათგანი ცდილობს ახსნას კონტაქტური ფენომენებით მიღებული შედეგები, თუმცა არ ასახელებენ რომელი. აქედან გამომდინარე, მინდა ვთქვა, რომ, როგორც ჩანს, მათ ცუდად ესმით კონტაქტის ფენომენების მახასიათებლები და, განსაკუთრებით, გვირაბის ფენომენები სტრუქტურებში. S-I-S. სხვები თანხმდებიან, რომ ყველა მოცემული მახასიათებელი შეესაბამება სტრუქტურებსS-I -S, მაგრამ ზეგამტარობის დასადასტურებლად აუცილებელია ნიმუშების დიამაგნიტური მგრძნობელობის გაზომვა, ვინაიდან ზეგამტარ მდგომარეობაში გადასვლისას ყველა მასალა ხდება ძლიერი დიამაგნიტური. მე ვეთანხმები ამას. მაგრამ ამ საკითხს სხვა მხრიდან მივუდგეთ. ვთქვათ, ჩვენ ვიკვლევთ მასალების დიამაგნიტურ თვისებებს, არ ვიცით ამ ნაშრომში მოცემული შედეგები და ეს სტრუქტურები ჩვენამდე მოდის. ჩვენ მათზე ვამჩნევთ ძლიერ დიამაგნიტურობას ოთახის ტემპერატურაზე, როგორც სუპერგამტარები. შეგვიძლია ვთქვათ, რომ ეს არის ზეგამტარობა? რა თქმა უნდა, არა, რადგან ზეგამტარობის მთავარი თვისებაა, როდესაც გამტარის წინააღმდეგობა ნულდება. თუ დააკვირდებით ლეღვს. 10, შემდეგ ნულოვანი ძაბვის დროს დენი გადის ნიმუშში. და ეს მხოლოდ ადასტურებს, რომ ნიმუშის წინააღმდეგობა ნულის ტოლია. გარდა ამისა, ჯოზეფსონის ყველა ეფექტი ასოცირდება მხოლოდ კუპერის წყვილების გვირაბებთან და შესწავლილ ნიმუშებში ჩვენ ვაკვირდებით ჯოზეფსონის თითქმის ყველა ეფექტს. ეს ნიშნავს, რომ შეიძლება ითქვას, რომ კუპერის წყვილები არსებობს შესასწავლ ნიმუშებში და კუპერის წყვილების არსებობა ზეგამტარობის წარმოქმნის მთავარი პირობაა, BCS თეორიის მიხედვით. კვლევის დროს აღმოაჩინეს კრიტიკული ტემპერატურა და დენი და ნიმუშები მაგნიტურ ველში ისე იქცევიან, როგორც სუპერგამტარი-იზოლატორი-ზეგამტარული სტრუქტურები. ამიტომ, ეჭვგარეშეა, რომ ლითონის ბურთები, რომლებიც გარშემორტყმულია დიელექტრიკის თხელი ფენით, ზეგამტარობის მდგომარეობაშია ოთახის ტემპერატურაზე და ზემოთ. რაც შეიძლება მალე ჩავატარებთ ნიმუშების დიამაგნიტურ კვლევებს. მაგრამ ეჭვგარეშეა, რომ ნიმუშების დიამაგნიტური თვისებები იგივე იქნება, რაც ჩვეულებრივი ზეგამტარების, რადგან ბუნებაში არ არსებობს ორი განსხვავებული ფენომენი, რომლებიც ავლენენ ერთსა და იმავე თვისებებს. Გმადლობთ ყურადღებისთვის. მადლობელი ვიქნები ყველას, ვისაც შეუძლია ამ საქმეში მხარდაჭერა და დახმარება.

ლიტერატურა:

1. გინზბურგი ვ.ლ., კირჟნიცი დ.ა. მაღალტემპერატურული ზეგამტარობის პრობლემა - მ.: ნაუკა, 1977. – 400გვ.

2.Bukkel V. ზეგამტარობა. – მ.: მირი, 1975.-364 გვ.

3. Solimar L. გვირაბის ეფექტი ზეგამტარებში. – მ.: მირი, 1974.- 428გვ.

4. Derunov V. ვებგვერდი

ილუსტრაციის საავტორო უფლებები Thinkstockსურათის წარწერა სუპერგამტარები შეიძლება გამოყენებულ იქნას ელექტრო ქსელების შესაქმნელად

დაახლოებით -270 გრადუს ცელსიუსზე, ზოგიერთი ლითონი საშუალებას აძლევს ელექტრო დენს გაიაროს წინააღმდეგობის გარეშე. თუმცა, მეცნიერებმა ისწავლეს ზეგამტარობის მიღწევა უფრო მაღალ ტემპერატურაზე, დაახლოებით 130 კელვინი (-143 ცელსიუსი) და აქ არ ჩერდებიან, თვლიან, რომ ამ ღირებული თვისების რეპროდუცირება შესაძლებელია ოთახის ტემპერატურაზე.

სუპერგამტარებს ახასიათებთ წინააღმდეგობის სრული არარსებობა. ეგრეთ წოდებული I ტიპის ზეგამტარები მთლიანად ანაცვლებენ მაგნიტურ ველს.

მსგავსი ტიპის II ნივთიერებები იძლევა ერთდროულად ზეგამტარობის და ძლიერი მაგნიტური ველის არსებობას, რაც მათ გამოყენების სპექტრს უკიდურესად ფართოს ხდის.

რა არის ზეგამტარობა?

თავად ფენომენი აღწერა ჰოლანდიელმა ქიმიკოსმა და ფიზიკოსმა ჰეიკე კამერლინგ-ოტესმა 1911 წელს. ორი წლის შემდეგ მან ნობელის პრემია მიიღო.

ზეგამტარობის კონცეფცია პირველად გამოჩნდა საბჭოთა აკადემიკოს ლევ ლანდაუს სამეცნიერო ნაშრომებში, რომელმაც, სხვათა შორის, ასევე მიიღო ნობელის პრემია თავისი მუშაობისთვის 1962 წელს.

ლითონების ზეგამტარობა ახსნილია ეგრეთ წოდებული „კუპერის წყვილების“ კონცეფციის გამოყენებით: ორი ელექტრონი გაერთიანებულია კვანტის მეშვეობით ჯამური ნულოვანი კუთხის იმპულსით.

მსგავსი ელექტრონების დაწყვილება ხდება ზოგიერთი ლითონის კრისტალურ ბადეში, როდესაც გაცივდება უკიდურესად დაბალ ტემპერატურამდე.

თუმცა, მოგვიანებით, კუპრატების - კერამიკის მაღალი შემცველობით სპილენძის დახმარებით - მეცნიერებმა მიაღწიეს ზეგამტარობის გაჩენას აზოტის დუღილის ტემპერატურაზე (-196 ცელსიუსზე) მნიშვნელოვნად აღემატება ტემპერატურაზე, რაც თხევადი აზოტის ფართო წარმოების გათვალისწინებით. ნივთიერებები, რომლებსაც არ აქვთ წინააღმდეგობა, შედარებით მოსახერხებელია გამოსაყენებლად.

ამ ექსპერიმენტების წყალობით, სუპერგამტარები ფართოდ გავრცელდა და დღეს გამოიყენება, კერძოდ, გამოსახულების მისაღებად სამედიცინო დიაგნოსტიკურ მოწყობილობებში, როგორიცაა მაგნიტური სკანერები და მაგნიტური რეზონატორები.

ისინი ასევე ფართოდ გამოიყენება ნაწილაკების ამაჩქარებლებში ფიზიკის კვლევაში.

და მერე გრაფენი?

ჰელსინკის ალტოს უნივერსიტეტისა და რუსეთის მეცნიერებათა აკადემიის ლანდაუს თეორიული ფიზიკის ინსტიტუტის პროფესორმა გრიგორი ვოლოვიკმა მოსკოვის კვანტური ტექნოლოგიების საერთაშორისო კონფერენციის ფარგლებში ისაუბრა ზეგამტარობის შესაძლო მიღწევაზე მაღალ ტემპერატურაზე გრაფენის, ბრტყელი მოდიფიკაციის გამოყენებით. .

გრაფენს, ისევე როგორც ზეგამტარებს, უწინასწარმეტყველებენ ნათელი მომავალი - როგორც ნათურების, ისე ჯავშანტექნიკის მწარმოებლები დაინტერესებულნი არიან, რომ აღარაფერი ვთქვათ მის პერსპექტივაზე მიკროელექტრონიკაში.

ილუსტრაციის საავტორო უფლებები IBMსურათის წარწერა ნორმალურ პირობებში გრაფენი ავლენს ნახევარგამტარის თვისებებს

თეორიული ფიზიკოსები აღწერდნენ მის პოტენციალს მე-20 საუკუნეში, მაგრამ პრაქტიკულ კვლევამდე მივიდა მხოლოდ 21-ე საუკუნეში: სწორედ გრაფიტისგან გამოყოფილი გრაფენის თვისებების აღწერისთვის რუსეთის მკვიდრებმა კონსტანტინე ნოვოსელოვმა და ანდრეი გეიმმა მიაღწიეს.

ვოლოვიკის თქმით, ელექტრომაგნიტური ველების თვისებების შესახებ ცოდნამ შეიძლება შესაძლებელი გახადოს ზეგამტარის აგება ბრტყელ ენერგეტიკულ ზოლებზე დაფუძნებული, რომელიც შეიძლება შეინიშნოს "იდეალურ" გრაფენში.

და მაინც - რა ვუყოთ ოთახის ტემპერატურას?

იდეალური გრაფენისთვის დამახასიათებელ ბრტყელ ზონას უნდა ჰქონდეს ნულოვანი ენერგია მთელ სიბრტყეში.

თუმცა, ნახშირბადის ორგანზომილებიანი ალოტროპული მოდიფიკაციის რეალური სტრუქტურა სტრუქტურაში ხშირად წააგავს „გაბრტყელ ძეხვს“, ამბობს პროფესორი ვოლოვიკი.

მიუხედავად ამისა, ექსპერტები იმედგაცრუებულნი არ არიან: ამ დროისთვის, თეორეტიკოსები მუშაობენ რამდენიმე ვარიანტზე ბრტყელი ენერგეტიკული ზონის გარეგნობისთვის, რომელიც აუცილებელია ოთახის პირობებში სუპერგამტარობის შესაქმნელად, მათ შორის სუპერგაციებული გაზების ჩათვლით.

გასულ წელს ამერიკელმა ფიზიკოსებმა სტენფორდის უნივერსიტეტიდან გააცნობიერეს, თუ როგორ შეიძლება გრაფენის ზეგამტარობის პრაქტიკაში ამოქმედება მონოატომური ნახშირბადის - რეალურად გრაფენის - და კალციუმის ფენების გამოყენებით, რომლებიც ერთმანეთზეა "სენდვიჩში".

მას შემდეგ, რაც ცოტა მეტი წლის წინ, ბრიტანელი მეცნიერები, შეგვიძლია ვისაუბროთ საჭირო მასალების წარმოების ღირებულების შესამჩნევ შემცირებაზე.

გამოწვევა, როგორც ყველა ზემოთ ნახსენები ექსპერტი ამბობს, ახლა არის გზების პოვნა დეფექტების გარეშე გრაფენის დიდი მოცულობით წარმოებისთვის.

მყარი, თხევადი, აირი, პლაზმა... კიდევ რა?

მატერიის ერთ-ერთი მდგომარეობა, რომლისთვისაც შეინიშნება ზეგამტარობა და სხვა კვანტური ეფექტები, არის ბოზე-აინშტაინის კონდენსატი, რომელსაც დაარქვეს ინდოელი ფიზიკოსის სატიენდრა ბოზისა და ალბერტ აინშტაინის თეორიული ნაშრომი.

ილუსტრაციის საავტორო უფლებებისამეცნიერო ფოტო ბიბლიოთეკასურათის წარწერა სატიენდრა ბოზი იყო პიონერი ნაწილაკების ქცევის შესწავლაში ნულ კელვინზე

ეს არის მატერიის განსაკუთრებული ფორმა - ეს არის ფოტონების და ბოზონებთან დაკავშირებული სხვა ელემენტარული ნაწილაკების აგრეგაციის მდგომარეობა, ნულ კელვინთან ახლოს ტემპერატურაზე.

1995 წელს - ბოზის და აინშტაინის თეორიული დასაბუთების გამოქვეყნებიდან 70 წლის შემდეგ - მეცნიერებმა პირველად შეძლეს კონდენსატის დაკვირვება.

მხოლოდ 2010 წელს შეძლეს ფიზიკოსებმა ფოტონების ასეთი კონდენსატის მოპოვება.

კერძოდ, ნატალია ბერლოფმა, სკოლკოვოს მეცნიერებისა და ტექნოლოგიების ინსტიტუტის მასწავლებელმა, რომელმაც ისაუბრა კონფერენციაზე, აღწერა პოლარიტონის ქცევა - კვაზინაწილაკები, რომლებიც წარმოიქმნება, როდესაც ფოტონები ურთიერთქმედებენ გარემოს ელემენტარულ აგზნებასთან.

ბერლოფმა თქვა, რომ მან სცადა კვანტური თეორიის გამოყენება პრემიერ-მინისტრ დიმიტრი მედვედევსა და ვიცე-პრემიერ არკადი დვორკოვიჩს გასულ ზაფხულს წარმოედგინა, როგორც ეროვნული ინიციატივა.

სკოლკოვოს მეცნიერება-ტექნოლოგიის ინსტიტუტის სტუდენტების ნაწილი უკვე აქტიურად მონაწილეობს საერთაშორისო კვლევებში - კერძოდ, ბერლოფის სტუდენტები არიან ფიზიკოსთა ჯგუფის ნაწილი, რომელიც აღწერს აღნიშნული პოლარიტონის ქცევას.

მოსკოვი, 13 სექტემბერი - რია ნოვოსტი.გრაფიტის ცალკეულ მარცვლებს შეუძლიათ გამოავლინონ სუპერგამტარობის თვისებები ოთახის ტემპერატურაზე, წყლით დამუშავებისა და ღუმელში გამოცხობის შემდეგ, რაც ვარაუდობს, რომ სუპერგამტარობის მიღწევა შესაძლებელია პრაქტიკაში ნორმალურ პირობებში, აცხადებენ გერმანელი ფიზიკოსები ჟურნალში Advanced Materials-ში გამოქვეყნებულ ნაშრომში.

„საერთოდ, ჩვენი ექსპერიმენტის მონაცემები მიუთითებს, რომ ზეგამტარობა ოთახის ტემპერატურაზე შესაძლებელია და რომ ჩვენ მიერ გამოყენებული მეთოდებმა შეიძლება გზა გაუხსნას ახალი თაობის სუპერგამტარებს, რომელთა გაჩენა კაცობრიობას ჯერ კიდევ ძნელი შესაფასებელი სარგებელს მოუტანს. ფიზიკის გუნდის ლიდერი, პაბლო ესკინაზი (პაბლო ესკინაზი) ლაიფციგის უნივერსიტეტიდან (გერმანია).

ესკინაზიმ და მისმა კოლეგებმა შეისწავლეს გრაფიტის და ნახშირბადის სხვა ფორმების ფიზიკური თვისებები. ერთ-ერთ ექსპერიმენტში მეცნიერებმა გრაფიტის ფხვნილი დაასხეს სინჯარაში წყლით, აურიეს და დატოვეს 24 საათის განმავლობაში. ამის შემდეგ ფიზიკოსებმა გაფილტრეს გრაფიტი და გააშრეს ღუმელში 100 გრადუს ტემპერატურაზე.

შედეგად, მეცნიერებმა მიიღეს გრაფიტის გრანულების ნაკრები ძალიან საინტერესო ფიზიკური თვისებებით. ამრიგად, ამ მარცვლების ზედაპირს აქვს ზეგამტარი თვისებები, რომლებიც შენარჩუნებულია 300 გრადუს კელვინის, ანუ 26 გრადუს ცელსიუს ტემპერატურაზეც კი.

ეს გამოიხატა მარცვლების შიგნით მაგნიტური მომენტის დამახასიათებელი მკვეთრი ფაზური გადასვლების გამოჩენაში, რომლებიც არსებობს კლასიკურ მაღალტემპერატურულ ზეგამტარებში. ფიზიკოსებმა ვერასოდეს შეძლეს გადაამოწმონ, აქვს თუ არა გრაფიტს ასეთი მასალების ორი სხვა ძირითადი მახასიათებელი: წინააღმდეგობის არარსებობა და ეგრეთ წოდებული მაისნერის ეფექტი - მაგნიტური ველის სრული გადაადგილება გამტარის სხეულიდან.

თუმცა, თუნდაც ერთი ეფექტის აღმოჩენა ვარაუდობს, რომ მაღალტემპერატურულ ზეგამტარებს შეუძლიათ ფუნქციონირება ოთახის ტემპერატურაზე.

სამწუხაროდ, ესკინაზისა და მისი კოლეგების მიერ მოპოვებული გრაფიტის მარცვლები არ შეიძლება გამოყენებულ იქნას ზეგამტარების „სამშენებლო მასალად“. ჯერ ერთი, გრაფიტის მასის მხოლოდ 0.0001%-ს აქვს სუპერგამტარი თვისებები იმის გამო, რომ ეს ეფექტი შეინიშნება მხოლოდ მარცვლების ზედაპირზე. მეორეც, გრაფიტის ეს ფორმა უკიდურესად მყიფეა და მარცვლების ფიზიკური თვისებები უმნიშვნელო დეფორმაციის დროსაც კი შეუქცევადად იკარგება.

შემდგომ სამუშაოებში ფიზიკოსები გეგმავენ შეისწავლონ მარცვლების ზედაპირი და წყალბადის ატომების როლი, რომლებიც მათ ზედაპირზე რჩება "წყლის აბაზანის" და შემდგომი გაშრობის შემდეგ. გარდა ამისა, ესკინაზი და მისი კოლეგები შეამოწმებენ, აქვს თუ არა ასეთ მარცვლებს ნულოვანი წინააღმდეგობა და ხდება თუ არა მათში მეისნერის ეფექტი.

სუპერგამტარობა ერთ-ერთი ყველაზე იდუმალი, გასაოცარი და პერსპექტიული ფენომენია. ზეგამტარ მასალებს, რომლებსაც არ აქვთ ელექტრული წინააღმდეგობა, შეუძლიათ დენის გატარება პრაქტიკულად დაკარგვის გარეშე და ეს ფენომენი უკვე გამოიყენება პრაქტიკული მიზნებისთვის ზოგიერთ ადგილებში, მაგალითად, ბირთვული ტომოგრაფიის აპარატების მაგნიტებში ან ნაწილაკების ამაჩქარებლებში. თუმცა, არსებული სუპერგამტარი მასალები უნდა გაცივდეს უკიდურესად დაბალ ტემპერატურამდე, რათა მიაღწიონ მათ თვისებებს. მაგრამ მეცნიერთა მიერ ამ წელს და გასულ წელს ჩატარებულმა ექსპერიმენტებმა გამოიღო მოულოდნელი შედეგი, რამაც შეიძლება შეცვალოს სუპერგამტარული ტექნოლოგიის მდგომარეობა.

მეცნიერთა საერთაშორისო გუნდი, მაქს პლანკის მატერიის სტრუქტურისა და დინამიკის ინსტიტუტის მეცნიერების ხელმძღვანელობით, რომელიც მუშაობს ერთ-ერთ ყველაზე პერსპექტიულ მასალასთან - მაღალტემპერატურულ ზეგამტარ იტტრიუმ-ბარიუმ-სპილენძის ოქსიდთან (YBa2Cu3O6+x, YBCO). აღმოაჩინეს, რომ ამ კერამიკული მასალის ზემოქმედება ინფრაწითელი ლაზერის სინათლის იმპულსებზე იწვევს მასალის ზოგიერთ ატომს მოკლე დროში შეცვალოს თავისი პოზიცია ბროლის ბადეში, რაც ზრდის ზეგამტარობის ეფექტის გამოვლინებას.

YBCO ნაერთის კრისტალებს ძალიან უჩვეულო სტრუქტურა აქვთ. ამ კრისტალების გარედან არის სპილენძის ოქსიდის ფენა, რომელიც ფარავს შუალედურ ფენებს, რომლებიც შეიცავს ბარიუმს, იტრიუმს და ჟანგბადს. ლაზერული შუქით დასხივებისას ზეგამტარობის ეფექტი ხდება ზუსტად სპილენძის ოქსიდის ზედა ფენებში, რომელშიც ხდება ელექტრონული წყვილების ინტენსიური ფორმირება, ე.წ. კუპერის წყვილები. ამ წყვილებს შეუძლიათ ბროლის ფენებს შორის გადაადგილება გვირაბის ეფექტის გამო და ეს მიუთითებს დაკვირვებული ეფექტების კვანტურ ბუნებაზე. და ნორმალურ პირობებში, YBCO კრისტალები ხდება სუპერგამტარები მხოლოდ ამ მასალის კრიტიკულ წერტილზე დაბალ ტემპერატურაზე.

2013 წელს ჩატარებულ ექსპერიმენტებში მეცნიერებმა დაადგინეს, რომ YBCO კრისტალზე ძლიერი ინფრაწითელი ლაზერის ანთებითი მასალა ოთახის ტემპერატურაზე ზეგამტარად გადაიქცა. აშკარაა, რომ ლაზერული შუქი გავლენას ახდენს მასალის ფენებს შორის გადაბმაზე, თუმცა ამ ეფექტის მექანიზმი ბოლომდე არ არის ნათელი. და ყველა დეტალის გასარკვევად, თუ რა ხდებოდა, მეცნიერებმა მიმართეს LCLS ლაზერის შესაძლებლობებს, დღემდე ყველაზე მძლავრ რენტგენის ლაზერს.

ჩვენ დავიწყეთ მასალაზე დარტყმა ინფრაწითელი სინათლის იმპულსებით, რამაც გამოიწვია ზოგიერთი ატომის აღგზნება, რამაც გამოიწვია მათი ვიბრაცია საკმაოდ ძლიერი ამპლიტუდით.
- ამბობს რომან მანკოვსკი, ფიზიკოსი მაქს პლანკის ინსტიტუტიდან.„მაშინ ჩვენ გამოვიყენეთ რენტგენის ლაზერული პულსი ინფრაწითელი ლაზერის პულსის შემდეგ, რათა გავზომოთ გადაადგილების ზუსტი რაოდენობა, რომელიც მოხდა ბროლის ბადეში.

შედეგებმა აჩვენა, რომ ინფრაწითელი სინათლის პულსი არა მხოლოდ აღაგზნებს ატომებს და იწვევდა მათ ვიბრაციას, არამედ იწვევდა მათ გადაადგილებას ბროლის ბადეში. ამან სპილენძის ოქსიდის ფენებსა და ბროლის სხვა ფენებს შორის მანძილი ძალიან მცირე ხნით შეამცირა, რამაც თავის მხრივ გამოიწვია მათ შორის კვანტური შეერთების ეფექტის გამოვლინების ზრდა. შედეგად, კრისტალი ხდება ზეგამტარი ოთახის ტემპერატურაზე, თუმცა ეს მდგომარეობა შეიძლება გაგრძელდეს მხოლოდ რამდენიმე პიკოწამში.

„ჩვენ მიერ მიღებული შედეგები მოგვცემს საშუალებას შევიტანოთ გარკვეული ცვლილებები და გავაუმჯობესოთ მაღალი ტემპერატურის ზეგამტარების არსებული თეორია. გარდა ამისა, ჩვენი მონაცემები ფასდაუდებელ დახმარებას გაუწევს მასალების მეცნიერებს, რომლებიც ქმნიან ახალ მაღალტემპერატურულ სუპერგამტარ მასალებს მაღალი კრიტიკული ტემპერატურის მქონე.” - ამბობს რომან მანკოვსკი, -”და საბოლოოდ, ეს ყველაფერი, იმედი მაქვს, გამოიწვევს ოთახის ტემპერატურის სუპერგამტარ მასალაზე ოცნებას, რომელიც საერთოდ არ საჭიროებს გაგრილებას. და ასეთი მასალის გაჩენამ, თავის მხრივ, შეიძლება გამოიწვიოს მრავალი გარღვევა ბევრ სხვა სფეროში, რომლებიც სარგებლობენ სუპერგამტარობის ფენომენით.