Органический сверхпроводник - Organic superconductor

An органический сверхпроводник синтетический органическое соединение что показывает сверхпроводимость при низких температурах.

По состоянию на 2007 год самый высокий достигнутый критический температура для органического сверхпроводника при стандартное давление 33 года кельвины, наблюдаемый в щелочно-легированных фуллеренах RbCs₂C₆₀.^[1][2]

В 1979 г. Клаус Бехгаард синтезировал первый органический сверхпроводник (TMTSF)₂ПФ₆ (соответствующий класс материалов был назван его именем позже) с температурой перехода T_C = 0,9 К, при внешнем давлении 11 кбар^[3].

Многие материалы можно охарактеризовать как органические сверхпроводники. К ним относятся Соли Бехгаарда и Соли Фабра которые являются как квазиодномерными, так и квазидвумерными материалами, такими как k -BEDT-TTF₂Икс зарядно-переносной комплекс, λ -ПАРИ₂Икс соединения, соединения интеркалирования графита и трехмерный материалы, такие как щелочь -допированный фуллерены.

Органические сверхпроводники представляют особый интерес не только для ученых, работающих при комнатной температуре. сверхпроводимость и для модельных систем, объясняющих происхождение сверхпроводимости, но также и для повседневной жизни, как органические соединения в основном построены из углерод и водород которые принадлежат самые распространенные элементы на земле в отличие от медь или же осмий.

Одномерные соли Фабра и Бехгаарда

Соли Фабра состоят из тетраметилтетратиафульвалена (TMTTF) и Соли Бехгаарда тетраметилтетраселенафульвалена (TMTSF). Эти две органические молекулы похожи, за исключением сера -атомы TMTTF заменяются на селен -атомы в ТМЦФ. Молекулы уложены в столбцы (с тенденцией к димеризация ) которые разделены анионы. Типичными анионами являются, например, октаэдрические PF.₆, AsF₆ или тетраэдрический ClO₄ или ReO₄.

Оба класса материалов являются квазиодномерными при комнатной температуре, проводящимися только вдоль стопки молекул, и имеют очень богатую фазовая диаграмма содержащий антиферромагнитное упорядочение, поручение, состояние волны спиновой плотности, габаритный кроссовер и конечно же сверхпроводимость.

Было обнаружено, что только одна соль Бехгаарда является сверхпроводящей при атмосферном давлении, которое составляет (TMTTF)₂ClO₄ с температурой перехода T_C = 1,4 К. Некоторые другие соли становятся сверхпроводящими только под действием внешнего давления. Внешнее давление, которое нужно приложить, чтобы довести большинство солей Фабра до сверхпроводимости, настолько велико, что в лабораторных условиях сверхпроводимость наблюдалась только в одном соединении. Выбор температуры перехода и соответствующего внешнего давления для нескольких одномерных органических сверхпроводников показан в таблице ниже.

Двумерный (BEDT-TTF)₂Икс

BEDT-TTF - это короткая форма бисэтилендитио-тетратиафульвалена, обычно обозначаемая аббревиатурой ET. Эти молекулы образуют плоскости, разделенные анионами. Структура молекул в плоскостях не уникальна, но существует несколько различных фаз роста, в зависимости от аниона и условий роста. Важными фазами, касающимися сверхпроводимости, являются α- и θ-фазы с молекулами, упорядоченными в структуре «рыбьей кости», и β- и особенно κ-фазы, которые упорядочиваются в шахматной структуре с молекулами димеризованный в κ-фазе. Эта димеризация делает κ-фазы особенными, поскольку они представляют собой системы, заполненные не на четверть, а на половину, что приводит к сверхпроводимости при более высоких температурах по сравнению с другими фазами.

Количество возможных анионов, разделяющих два листа молекул ET, практически бесконечно. Есть простые анионы, такие как я₃полимерные, такие как очень известный Cu [N (CN)₂] Br и анионы, содержащие растворители, например Ag (CF₃)₄· 112DCBE. Электронные свойства кристаллов на основе ET определяются его фазой роста, его анионом и приложенным внешним давлением. Внешнее давление, необходимое для перевода ET-соли с изолирующим основным состоянием в сверхпроводящее, намного меньше, чем необходимое для Соли Бехгаарда. Например, κ- (ET)₂Cu [N (CN)₂] Cl требуется всего лишь давление около 300 бар, чтобы стать сверхпроводящим, чего можно достичь, поместив кристалл в смазывать который замерзает ниже 0 ° C, а затем обеспечивает достаточную стресс вызвать сверхпроводящий переход. Кристаллы очень чувствительны (никогда не пинцет на них), что впечатляюще наблюдается в α- (ET)₂я₃ лежал несколько часов в солнце (или, более контролируемый, в духовке при 40 ° C). После такой обработки получается α_{Закаленный}- (ET)₂я₃ который является сверхпроводящим.

В отличие от универсальных солей Фабра или Бехгаарда фазовые диаграммы для всех солей на основе ЕТ пока только предложены. Конечно, такая фазовая диаграмма будет зависеть не только от температуры и давления (т. Е. Полосы пропускания), но и от электронные корреляции. В дополнение к сверхпроводящему основному состоянию эти материалы показывают поручение, антиферромагнетизм или остаться металлический вплоть до самых низких температур. Одно соединение даже предсказывается как спиновая жидкость.

Наивысшие температуры перехода при атмосферном давлении и внешнем давлении наблюдаются в κ-фазах с очень похожими анионами. κ- (ET)₂Cu [N (CN)₂] Br становится сверхпроводящим при T_C = 11,8 K при атмосферном давлении и давлении 300 бар приводы дейтерированные κ- (ET)₂Cu [N (CN)₂] Cl из антиферромагнитный в основное сверхпроводящее состояние с температурой перехода T_C = 13,1 К. В следующей таблице приведены только несколько примеров сверхпроводников этого класса. Дополнительные сведения о сверхпроводниках см. В ссылке 1.

Еще больше сверхпроводников можно найти, слегка изменив молекулы ET, заменив атомы серы селеном (BEDT-TSF, BETS) или кислородом (BEDO-TTF, BEDO).

Некоторые двумерные органические сверхпроводники κ- (ET)₂Икс и λ (СТАВКА)₂Икс семьи являются кандидатами на Фаза Фульде-Феррелла-Ларкина-Овчинникова (FFLO) когда сверхпроводимость подавляется внешним магнитным полем.^[4]

Допированные фуллерены

Сверхпроводящий фуллерены на основе C₆₀ сильно отличаются от других органических сверхпроводников. Строительные молекулы больше не обрабатываются углеводороды но чистый углерод молекулы. Вдобавок эти молекулы больше не плоские, а громоздкие, что дает трехмерный изотропный сверхпроводник. Чистый C₆₀ растет в ГЦК-решетка и является изолятор. Поместив щелочь атомов в междоузлиях кристалл становится металлическим и со временем становится сверхпроводящим при низких температурах.

К сожалению, C₆₀ кристаллы нестабильны в окружающей атмосфере. Их выращивают и исследуют в закрытых капсулах, что ограничивает возможные методы измерения. Самая высокая температура перехода, измеренная до сих пор, была T_C = 33 К для Cs₂РБК₆₀Самая высокая измеренная температура перехода органического сверхпроводника была обнаружена в 1995 г. в Cs₃C₆₀ под давлением 15 кбар до T_C = 40 К. Под давлением это соединение проявляет уникальное поведение. Обычно самый высокий T_C достигается при минимальном давлении, необходимом для перехода. Дальнейшее повышение давления обычно снижает температуру перехода. Однако в Cs₃C₆₀ сверхпроводимость возникает при очень низких давлениях, порядка 100 бар, и температура перехода продолжает расти с увеличением давления. Это указывает на совершенно иной механизм, чем просто расширение полосы пропускания.

Больше органических сверхпроводников

Рядом с тремя основными классами органических сверхпроводников (SC) есть больше органических систем, становящихся сверхпроводящими при низких температурах или под давлением. Здесь будет представлено несколько примеров.

SC на базе TTP

TMTTF, а также BEDT-TTF основаны на молекуле TTF (тетратиафульвален ). Используя ТТФ (тетратиапентален) в качестве основных молекул, можно получить множество новых органических молекул, служащих катионами в органических кристаллах. И некоторые из них сверхпроводящие. Об этом классе сверхпроводников сообщили только недавно, и исследования все еще продолжаются.

СК фенантренового типа

Вместо использования сульфатированных молекул или довольно большого Бакминстера фуллерены в последнее время стало возможным синтезировать кристаллы из углеводородного Picene и фенантрен. Легирование кристаллов Пицена и Фенантрена некоторыми щелочными металлами, такими как калий или же рубидий а отжиг в течение нескольких дней приводит к сверхпроводимости с температурами перехода до 18 К. Для AxPhenanthrene сверхпроводимость возможна нетрадиционно. И фенантрен, и пикен называются фенантреновым краевым типом. полициклический ароматический углеводород. Увеличение количества бензольных колец приводит к увеличению T_c.

СЭ интеркаляции графита

Помещение посторонних молекул или атомов между шестиугольником графит Листы приводят к упорядоченным структурам и сверхпроводимости, даже если ни чужая молекула, ни атом, ни слои графита не являются металлическими. Несколько стехиометрия были синтезированы с использованием в основном атомов щелочных металлов в качестве анионов.

Несколько T_Cs для необычных СЦ

Рекомендации