POLITECHNIKA LUBELSKA

Wydział Elektryczny

Urządzenia nadprzewodnikowe

Temat: Specjalne materiały nadprzewodnikowe (organiczne).

Wykonał: Data wykonania:

Sebastian Marzenowski 1997-01-10

grupa ED 5.2

Nadprzewodniki organiczne

Badania nadprzewodnictwa prowadzone są także w materiale biologicznym w temperaturze pokojowej i wyższej. Badania te obejmują nadprzewodnictwo w działaniu. Zasadniczy atrybut nadprzewodnictwa - przepływ prądu bez wydzielania ciepła, wymaga wyjaśnienia procesów nietermicznych, dla których brak jest uzasadnień fizyko-chemicznych. Na podstawie teorii BCS przewiduje się nadprzewodnictwo w długich łańcuchach organicznych polimerów o strukturze zbliżonej do DNA. Teoretyczne możliwości nadprzewodnictwa w temperaturze pokojowej w materiale organicznym pozwalają wyjaśnić szereg zjawisk, których nie można wytłumaczyć klasycznymi teoriami fizyko-chemicznymi. Przykładem takiego zjawiska jest zmiana tempa metabolizmu wzrostu tkanki wywołana polem magnetycznym o natężeniu (5 do 15)⋅10^-3 T. Obserwacje wykazują, że żywe systemy, takie jak ptaki, owady, ślimaki, a prawdopodobnie także ludzie mogą wykrywać bardzo słabe pola magnetyczne rzędu (0,5 do 0,1)⋅10^-4 T. Przypuszcza się, że efektem Josephsona można tłumaczyć zjawisko periodycznych, bardzo słabych zmian pola magnetycznego w stadium początkowym raka. Procesy wzrostu i procesy nerwowe kojarzy się z przenikaniem pojedynczych elektronów. Ostatnio, wykrycie w drodze doświadczalnej nadprzewodnictwa w organicznych molekułach, np. w kwasie żółciowym w temperaturze 277 K (Halfern, Wolff), wzmocniło hipotezy o biologicznym nadprzewodnictwie. W rozważanym przypadku objawia się ono nagłą zmianą przenikalności magnetycznej w funkcji temperatury i pola magnetycznego. Ekstrapolacja tych doświadczeń sugeruje, że cholesterol może być nadprzewodnikiem nawet w wyższych temperaturach.

W cienkich warstwach węglowych w temperaturze pokojowej zachodzą zjawiska magnetyczne i mikrofalowe, podobne do występujących w dwuelektronowym przenikaniu w metalu. Wykazano, że prąd płynący przez cienką warstwę węgla jest funkcją periodyczną pola magnetycznego. Jest to zgodne z przewidywaniami teoretycznymi Josephsona potwierdzonymi doświadczalnie w metalicznych półprzewodzących złączach z cienką warstwą dielektryka separującego.

Dużo uwagi przywiązuje się do wyników badań takich kryształów, które są zbudowane z cienkich warstw przewodzących elektrycznie. Te warstwy mogą być połączone pewną liczba różnych związków organicznych, tworząc w ten sposób kryształy, w których warstwy metalowe są oddzielone przez jedna lub więcej warstw molekuł organicznych. Przewiduje się również nową możliwość nadprzewodzenia, która opierałaby się na wzajemnym działaniu tych warstw. Według innej propozycji należy elektrony oddzielić warstwami organicznymi, które określałyby swobodę ich poruszania się.

Pierwszy nad­przewodnik organiczny - (TMTSF)₂PF₆, gdzie TMTSF oznacza związek tetramety­lotetraselenofulwalen, został odkryty przez K. Bechgaarda i D. Jerome'a w roku 1980; dla tego związku temperatura krytyczna T_c = 1 K. Dalsze badania doprowa­dziły do odkrycia materiałów o wyższych temperaturach krytycznych, o nowych własnościach elektronowych i nadprzewodzących. Związki te charakteryzuje prze­wodnictwo prawie jednowymiarowe (podstawowymi elementami struktury są łańcu­chy, wzdłuż których poruszają się elektrony) i niska koncentracja nośników. Później odkryto także związki, w których nadprzewodnictwo (i przewodnictwo) ma charak­ter dwuwymiarowy: (BEDT-TTF)₂X, gdzie BEDT-TTF oznacza bis(etylenoditio)tetratiofulwalen. Związek, w którym X = Cu(NCS)₂, ma najwyższą temperaturę krytyczną ~ 10 K.

W pierwszej grupie związków, płaskie cząsteczki TMTSF (Rys. 1) tworzą ko­lumny, wzdłuż których najdogodniej jest poruszać się nośnikom prądu. Dwie czą­steczki dostarczają jeden elektron anionowi X i w ten sposób powstaje sól orga­niczna. Większość nadprzewodzących związków z tej grupy wykazuje tę cechę tylko pod ciśnieniem. W tabeli 1 podane są temperatury krytyczne oraz ciśnienia, przy których następuje przejście w stan nadprzewodnictwa.

Rys. 1. Schematyczny obraz cząsteczki TMTSF

X	Pc [kbar]	Tc [K]
ClO4	0	1.2
PF6	9	1.2
ReO4	9.5	1.4

Tabela 1. Wartości ciśnień krytycznych i temperatur krytycznych

quasi-jednowymiarowego nadprzewodnika organicznego TMTSF

Najważniejszą cechą tych związków jest ich quasi-jednowymiarowość. Wszystkie własności są bardzo silnie anizotropowe. Na przykład przewodnictwo wzdłuż łańcuchów i w kierunku prostopadłym do nich różni się o czynnik 10. Własności nadprzewodzące, np. pola krytyczne, są również bardzo anizotropowe.

Druga rodzina nadprzewodników organicznych, BEDT-TTF wykazuje duże bogactwo struktur krystalicznych. Inaczej niż w płaskiej cząsteczce TMTSF, grupa CH₂ w BEDT-TTF znajduje się w innej płaszczyźnie niż pozostała część cząsteczki (Rys. 2).

Rys. 2. Schematyczny obraz cząsteczki BEDT-TTF

W tej grupie związków najwięcej uwagi przyciąga β-(BEDT-TTF)₂X, gdzie X jest anionem takim jak I₃, Ibr₂ lub AuI₂. Związki te mają najwyższe temperatury krytyczne (Tabela 2).

X	Tc [K]
I3	1.2
I3	8.1
IBr2	2.5
AuI2	4.2
Cu(NCS)2	10

Tabela 2. Wartości temperatur krytycznych quasi-dwuwymiarowego

nadprzewodnika organicznego (BEDT-TTF)₂X

Ich kryształy mają budowę warstwową, składającą się z zespołu bloków BEDT-TTF tworzących przewodzące warstwy oddzielone od siebie izolującymi warstwami złożo­nymi z anionów. W rezultacie struktura elektronowa jest także dwuwymiarowa, co znajduje z kolei odbicie w anizotropii przewodnictwa i wielkości charakteryzujących stan nadprzewodzący.

Nadprzewodniki organiczne przyciągają uwagę również ze względu na pewne podobieństwa do nadprzewodników wysokotemperaturowych. Są to bowiem układy niskowymiarowe, o małej koncentracji nośników, można w nich badać współzawod­nictwo pomiędzy nadprzewodnictwem a uporządkowaniem magnetycznym (Rys. 3). Materiały te mogą dostarczyć dowodów na istnienie mechanizmów nadprzewodnictwa różnych od obserwowanego w nadprzewodnikach klasycznych.

Rys. 3. Wykres fazowy (TMTSF)₂PF₆ (SDW - Spin Density Waves - fale gęstości spinowej) (wg. Jerome'a 1990)

---