Organický supravodič - Organic superconductor

An organický supravodič je syntetický organická sloučenina který vystavuje supravodivost při nízkých teplotách.

Od roku 2007 nejvyšší dosažené kritické teplota pro organický supravodič při standardní tlak je 33 kelvinů, pozorováno v alkalicky dopovaných fullerenových RbC₂C₆₀.^[1][2]

V roce 1979 Klaus Bechgaard syntetizoval první organický supravodič (TMTSF)₂PF₆ (odpovídající třída materiálu byla po něm pojmenována později) s přechodovou teplotou T_C = 0,9 K, při vnějším tlaku 11 kbar^[3].

Mnoho materiálů lze charakterizovat jako organické supravodiče. Mezi ně patří Bechgaardovy soli a Fabreovy soli které jsou jak kvazi-jednorozměrné, tak kvazi-dvourozměrné materiály, jako je k -BEDT-TTF₂X komplex přenosu náboje, λ -SÁZKY₂X sloučeniny, grafitové interkalační sloučeniny a trojrozměrný materiály jako alkálie -dopovaný fullereny.

Organické supravodiče jsou zvláště zajímavé nejen pro vědce, kteří hledají pokojovou teplotu supravodivost a pro modelové systémy vysvětlující původ supravodivosti, ale také pro otázky každodenního života jako organické sloučeniny jsou postaveny hlavně z uhlík a vodík které patří nejběžnější prvky na Zemi na rozdíl od měď nebo osmium.

Jednorozměrné Fabreovy a Bechgaardovy soli

Soli Fabre se skládají z tetramethyltetrathiafulvalenu (TMTTF) a Bechgaardovy soli tetramethyltetraselenafulvalenu (TMTSF). Tyto dvě organické molekuly jsou podobné až na síra -atomy TMTTF nahrazeny selen -atomy v TMTSF. Molekuly jsou naskládány do sloupců (s tendencí k dimerizace ), které jsou odděleny anionty. Typickými anionty jsou například oktaedrický PF₆, AsF₆ nebo čtyřboký ClO₄ nebo ReO₄.

Obě třídy materiálů jsou kvazi-jednorozměrné při pokojové teplotě, vedou pouze podél hromádek molekul a sdílejí velmi bohatou fázový diagram obsahující antiferomagnetické uspořádání, účtovat objednávku, stav vlny hustoty odstředění, dimenzionální výhybka a samozřejmě supravodivost.

Bylo zjištěno, že pouze jedna Bechgaardova sůl supravodila při okolním tlaku, což je (TMTTF)₂ClO₄ s přechodovou teplotou T_C = 1,4 K. Několik dalších solí se stává supravodivými pouze pod vnějším tlakem. Vnější tlak, který by člověk musel aplikovat, aby poháněl většinu Fabreových solí na supravodivost, je tak vysoký, že za laboratorních podmínek byla supravodivost pozorována pouze u jedné sloučeniny. V následující tabulce je uveden výběr přechodové teploty a odpovídajícího vnějšího tlaku několika jednorozměrných organických supravodičů.

Dvourozměrný (BEDT-TTF)₂X

BEDT-TTF je krátká forma bisethylendithio-tetrathiafulvalenu běžně zkrácená na ET. Tyto molekuly tvoří roviny, které jsou odděleny anionty. Vzorec molekul v rovinách není ojedinělý, ale roste několik různých fází, v závislosti na aniontu a podmínkách růstu. Důležitými fázemi týkajícími se supravodivosti jsou fáze α- a θ- s molekulami uspořádanými ve struktuře rybí kosti a fáze β- a zejména κ, které jsou uspořádány v šachovnicové struktuře dimerizovaný ve fázi κ. Díky této dimerizaci jsou κ-fáze speciální, protože se nejedná o čtvrtiny, ale o poloviční systémy, které je ve srovnání s ostatními fázemi přivádějí k supravodivosti při vyšších teplotách.

Množství možných aniontů oddělujících dvě vrstvy molekul ET je téměř nekonečné. Existují jednoduché anionty jako já₃polymerní, jako je velmi slavný Cu [N (CN)₂] Br a anionty obsahující rozpouštědla, například Ag (CF₃)₄· 112DCBE. Elektronické vlastnosti krystalů na bázi ET jsou určovány jeho růstovou fází, aniontem a působením vnějšího tlaku. Vnější tlak potřebný pro pohon ET-soli s izolačním základním stavem na supravodivý je mnohem menší než tlak potřebný pro Bechgaardovy soli. Například κ- (ET)₂Cu [N (CN)₂] Cl potřebuje k supravodivosti pouze tlak asi 300 barů, čehož lze dosáhnout vložením krystalu dovnitř tuk který mrzne pod 0 ° C a poté poskytuje dostatečné množství stres vyvolat supravodivý přechod. Krystaly jsou velmi citlivé (nikdy uživatel pinzeta na nich), které lze působivě pozorovat v α- (ET)₂Já₃ ležet několik hodin v slunce (nebo lépe řízeno v sušárně při 40 ° C). Po tomto ošetření dostane člověk α_Temperovaný- (ET)₂Já₃ což je supravodivé.

Na rozdíl od univerzálních solí Fabre nebo Bechgaard fázové diagramy pro všechny soli na bázi ET byly zatím pouze navrženy. Takový fázový diagram by jistě nezávisel pouze na teplotě a tlaku (tj. Šířce pásma), ale také na elektronické korelace. Kromě supravodivého základního stavu tyto materiály vykazují poplatek za objednávku, antiferromagnetism nebo zůstat kovový až na nejnižší teploty. U jedné sloučeniny se dokonce předpokládá, že je odstřeďujte kapalinu.

Nejvyšší teploty přechodu při okolním tlaku a při vnějším tlaku se nacházejí v κ-fázích s velmi podobnými anionty. κ- (ET)₂Cu [N (CN)₂] Br se stává supravodivým v T_C = 11,8 K při okolním tlaku a tlaku 300 bar pohony deuterované κ- (ET)₂Cu [N (CN)₂] Cl z antiferomagnetický do supravodivého základního stavu s přechodovou teplotou T_C = 13,1 K. Následující tabulka omezuje pouze na několik příkladných supravodičů této třídy. Více supravodičů viz odkaz 1.

Ještě více supravodičů lze nalézt mírnou změnou molekul ET buď nahrazením atomů síry selenem (BEDT-TSF, BETS) nebo kyslíkem (BEDO-TTF, BEDO).

Některé dvourozměrné organické supravodiče κ- (ET)₂X a λ (SÁZKY)₂X rodiny jsou kandidáty na Fáze Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov (FFLO) když je supravodivost potlačena vnějším magnetickým polem.^[4]

Dopované fullereny

Supravodivé fullereny na základě C.₆₀ se docela liší od ostatních organických supravodičů. S stavebními molekulami již není manipulováno uhlovodíky ale čistý uhlík molekuly. Kromě toho tyto molekuly již nejsou ploché, ale objemné, což vede k trojrozměrnému izotropnímu supravodiči. Čistý C.₆₀ roste v fcc-mříž a je izolátor. Umístěním alkálie atomů v intersticiích se krystal stává kovovým a nakonec supravodivý při nízkých teplotách.

Bohužel C.₆₀ krystaly nejsou stabilní v okolní atmosféře. Pěstují se a zkoumají v uzavřených tobolkách, což omezuje možné techniky měření. Dosud nejvyšší naměřená teplota přechodu byla T_C = 33 K pro Cs₂RbC₆₀Nejvyšší naměřená teplota přechodu organického supravodiče byla nalezena v roce 1995 v Cs₃C₆₀ natlakováno 15 kbar na T_C = 40 K. Pod tlakem tato sloučenina vykazuje jedinečné chování. Obvykle nejvyšší T_C je dosaženo s nejnižším tlakem nezbytným k provedení přechodu. Další zvyšování tlaku obvykle snižuje teplotu přechodu. Avšak v Čs₃C₆₀ supravodivost se nastavuje při velmi nízkých tlacích několika 100 bar a teplota přechodu se stále zvyšuje se zvyšujícím se tlakem. To naznačuje úplně jiný mechanismus než jen rozšíření šířky pásma.

Více organických supravodičů

Vedle tří hlavních tříd organických supravodičů (SC) existuje více organických systémů, které se stávají supravodivými při nízkých teplotách nebo pod tlakem. Zde bude uvedeno několik příkladů.

SC založené na TTP

TMTTF stejně jako BEDT-TTF jsou založeny na molekule TTF (tetrathiafulvalen ). Při použití TTP (tetrathiapentalenu) jako základních molekul se získá řada nových organických molekul sloužících jako kationty v organických krystalech. A některé z nich jsou supravodivé. Tato třída supravodičů byla nahlášena teprve nedávno a vyšetřování stále probíhá.

SC fenomenenového typu

Místo použití sulfátovaných molekul nebo poměrně velkého Buckminsteru fullereny nedávno bylo možné syntetizovat krystaly z uhlovodíku piken a fenanthren. Doping na krystal Picene a fenanthren s některými alkalickými kovy, jako je draslík nebo rubidium a žíhání po několik dní vede k supravodivosti s přechodovými teplotami až 18 K. U AxPhenanthrenu je supravodivost možná nekonvenční. Jak fenanthren, tak i picen se nazývají fenanthrenové hrany polycyklický aromatický uhlovodík. Zvyšující se počet benzenových kruhů má za následek vyšší T_C.

Grafitové interkalační SC

Vkládání cizích molekul nebo atomů mezi šestiúhelník grafit listy vedou k uspořádaným strukturám a k supravodivosti, i když ani cizí molekula nebo atom, ani grafitové vrstvy nejsou kovové. Několik stechiometrie byly syntetizovány za použití hlavně atomů alkalických kovů jako aniontů.

Několik T_Cs pro neobvyklé SC

Reference