कप्रेट सुपरकंडक्टर

कप्रेट सुपरकंडक्टर्स उच्च तापमान वाले सुपरकंडक्टिंग सामग्रियों का एक परिवार है, जो कॉपर ऑक्साइड (CuO₂) की परतों से बने होते हैं जो अन्य धातु ऑक्साइड की परतों के साथ बारी-बारी से होते हैं, जो आवेशित जलाशयों के रूप में कार्य करते हैं। परिवेशी दबाव पर, कप्रेट सुपरकंडक्टर्स ज्ञात उच्चतम तापमान वाले सुपरकंडक्टर्स हैं। चूँकि, वह तंत्र जिसके द्वारा अतिचालकता उत्पन्न होती है, अभी भी समझा नहीं जा सका है।

इतिहास

सुपरकंडक्टर समयरेखा। कप्रेट को नीले हीरे के रूप में प्रदर्शित किया जाता है, मैग्नीशियम डाइबोराइड और अन्य बीसीएस सुपरकंडक्टर्स को हरे वृत्तों के रूप में प्रदर्शित किया जाता है, और लौह-आधारित सुपरकंडक्टर्स को पीले वर्गों के रूप में प्रदर्शित किया जाता है। कप्रेट वर्तमान में उच्चतम तापमान वाले सुपरकंडक्टर्स हैं, जो तारों और मैग्नेट के लिए उपयुक्त हैं।

पहला कप्रेट सुपरकंडक्टर 1986 में आईबीएम शोधकर्ताओं जॉर्ज बेडनोर्ज़ और कार्ल एलेक्स मुलर द्वारा गैर स्टोइकोमेट्रिक कप्रेट लैंथेनम बेरियम कॉपर ऑक्साइड में पाया गया था। इस सामग्री के लिए महत्वपूर्ण तापमान 35K था, जो 23 K के पिछले रिकॉर्ड से अत्यधिक ऊपर था।^[1] इस खोज से कप्रेट्स पर अनुसंधान में तीव्रता से वृद्धि हुई, जिसके परिणामस्वरूप 1986 और 2001 के बीच हजारों प्रकाशन हुए।^[2] बेडनोर्ज़ और मुलर को उनकी खोज के एक साल बाद ही 1987 में भौतिकी में नोबेल पुरस्कार से सम्मानित किया गया था।^[3]

1986 से, कई कप्रेट सुपरकंडक्टर्स की पहचान की गई, और उन्हें चरण आरेख पर महत्वपूर्ण तापमान के विपरीत ऑक्सीजन छेद सामग्री और तांबा छेद सामग्री पर तीन समूहों में रखा जा सकता है:

लैंथेनम बेरियम- (LB-CO), Tc=−240°C (35 K)।
येट्रियम बेरियम- (YB-CO), Tc=−215°C (93 K)।^[4]
बिस्मथ स्ट्रोंटियम कैल्शियम - (BiSC-CO), Tc=−180 °C (95 K)।
थैलियम बेरियम कैल्शियम - (TBC-CO), Tc=−150 °C (125 K)।^[5]
पारा बेरियम कैल्शियम- (HGBC-CO) 1993, Tc=−140 °C (133 K) के साथ, वर्तमान में उच्चतम कप्रेट क्रांतिक तापमान।^[6]^[7]

संरचना

उच्च तापमान कप्रेट सुपरकंडक्टर BSCCO-2212 की यूनिट सेल

कप्रेट स्तरित सामग्रियां हैं, जिनमें कॉपर ऑक्साइड के सुपरकंडक्टिंग प्लेन होते हैं, जो लैंथेनम , बेरियम, स्ट्रोंटियम जैसे आयनों वाली परतों से अलग होते हैं, जो आवेशित जलाशय के रूप में कार्य करते हैं, इलेक्ट्रॉनों को डोपिंग करते हैं या कॉपर-ऑक्साइड विमानों में छेद करते हैं। इस प्रकार संरचना को स्पेसर परतों द्वारा अलग किए गए सुपरकंडक्टिंग CuO₂ परतों की सुपरलैटिस के रूप में वर्णित किया गया है, जिसके परिणामस्वरूप संरचना अधिकांशतः पेरोव्स्काइट संरचना से निकटता से संबंधित होती है। सुपरकंडक्टिविटी कॉपर-ऑक्साइड (CuO₂) शीट के अन्दर होती है, जिसमें आसन्न CuO₂ विमानों के बीच केवल अशक्त युग्मन होता है, जो गुणों को दो-आयामी सामग्री के निकट बनाता है। CuO₂ शीट के अन्दर विद्युत धाराएँ प्रवाहित होती हैं, जिसके परिणामस्वरूप सामान्य संचालन और अतिचालक गुणों में एक बड़ी अनिसोट्रॉपी होती है, जिसमें लंबवत दिशा की तुलना में CuO₂ विमान के समानांतर बहुत अधिक चालकता होती है।

महत्वपूर्ण अतिचालक तापमान रासायनिक संरचना, धनायन प्रतिस्थापन और ऑक्सीजन सामग्री पर निर्भर करते हैं। सुपरकंडक्टिंग सामग्रियों के रासायनिक सूत्रों में सामान्यतः सुपरकंडक्टिविटी के लिए आवश्यक डोपिंग का वर्णन करने के लिए आंशिक संख्याएं होती हैं। कप्रेट सुपरकंडक्टर्स के कई परिवार हैं, जिन्हें उनमें उपस्थित तत्वों और प्रत्येक सुपरकंडक्टिंग ब्लॉक में आसन्न कॉपर-ऑक्साइड परतों की संख्या के आधार पर वर्गीकृत किया जा सकता है। उदाहरण के लिए, YBCO और BSCCO को वैकल्पिक रूप से प्रत्येक सुपरकंडक्टिंग ब्लॉक (n) में परतों की संख्या के आधार पर Y123 और Bi2201/Bi2212/Bi2223 के रूप में संदर्भित किया जा सकता है। सुपरकंडक्टिंग संक्रमण तापमान को इष्टतम डोपिंग मान (p=0.16) और प्रत्येक सुपरकंडक्टिंग ब्लॉक में परतों की इष्टतम संख्या, सामान्यतः n=3 पर चरम पर पाया गया है।

अघोषित "पैरेंट" या "मदर" यौगिक पर्याप्त रूप से कम तापमान पर लंबी दूरी के एंटीफेरोमैग्नेटिक ऑर्डर के साथ मॉट इन्सुलेटर हैं। एकल इलेक्ट्रॉनिक बैंड संरचना मॉडल को सामान्यतः इलेक्ट्रॉनिक गुणों का वर्णन करने के लिए पर्याप्त माना जाता है।

कप्रेट सुपरकंडक्टर्स में सामान्यतः 3+ और 2+ दोनों ऑक्सीकरण अवस्थाओं में कॉपर ऑक्साइड होते हैं। उदाहरण के लिए, YBa₂Cu₃O₇ को Y³⁺(Ba²⁺)₂(Cu³⁺)(Cu²⁺)₂(O²⁻)₇ के रूप में वर्णित किया गया है। कॉपर 2+ और 3+ आयन स्वयं को चेकरबोर्ड पैटर्न में व्यवस्थित करते हैं, एक घटना जिसे आवेश ऑर्डरिंग के रूप में जाना जाता है।^[8] सभी सुपरकंडक्टिंग कप्रेट स्तरित सामग्री हैं, जिनकी जटिल संरचना होती है जिसे सुपरकंडक्टिंग CuO₂ की सुपरलैटिस के रूप में वर्णित किया जाता है। स्पेसर परतों द्वारा अलग की गई परतें, जहां स्पेसर में विभिन्न परतों और डोपेंट के बीच मिसफिट तनाव जटिल विविधता उत्पन्न करता है जो सुपरस्ट्राइप्स परिदृश्य में उच्च तापमान सुपरकंडक्टिविटी के लिए आंतरिक है।

अतिचालक तंत्र

कप्रेट उच्च तापमान सुपरकंडक्टर्स का योजनाबद्ध डोपिंग चरण आरेख

कप्रेट्स में अतिचालकता को अपरंपरागत माना जाता है और इसे बीसीएस सिद्धांत द्वारा समझाया नहीं गया है। कप्रेट सुपरकंडक्टिविटी के लिए संभावित युग्मन तंत्र अत्यधिक बहस और आगे के शोध का विषय बनी हुई है। अपरिष्कृत सामग्रियों में निम्न-तापमान एंटीफेरोमैग्नेटिक अवस्था और डोपिंग पर उभरने वाली निम्न-तापमान सुपरकंडक्टिंग अवस्था के बीच समानताएं, मुख्य रूप से Cu²⁺ आयनों की d_x²−y² कक्षीय अवस्था, सुझाव देती है कि कप्रेट में इलेक्ट्रॉन-फोनन युग्मन कम प्रासंगिक है। फर्मी सतह पर हाल के काम से पता चला है कि नेस्टिंग एंटीफेरोमैग्नेटिक ब्रिलोइन जोन में चार बिंदुओं पर होता है जहां स्पिन तरंगें उपस्थित होती हैं और इन बिंदुओं पर सुपरकंडक्टिंग ऊर्जा अंतर बड़ा होता है। अधिकांश कप्रेट्स के लिए देखे गए अशक्त आइसोटोप प्रभाव पारंपरिक सुपरकंडक्टर्स के विपरीत हैं जिन्हें बीसीएस सिद्धांत द्वारा अच्छी तरह से वर्णित किया गया है।

1987 में, फिलिप एंडरसन ने प्रस्ताव दिया कि सुपरएक्सचेंज उच्च तापमान वाले सुपरकंडक्टर युग्मन तंत्र के रूप में कार्य कर सकता है। 2016 में, चीनी भौतिकविदों ने कप्रेट के महत्वपूर्ण तापमान और उस कप्रेट में आवेश ट्रांसफर गैप के आकार के बीच संबंध पाया, जो सुपरएक्सचेंज परिकल्पना के लिए समर्थन प्रदान करता है। 2022 के अध्ययन में पाया गया कि बिस्मथ स्ट्रोंटियम कैल्शियम कॉपर ऑक्साइड सुपरकंडक्टर में वास्तविक कूपर जोड़े का अलग-अलग घनत्व सुपरएक्सचेंज पर आधारित संख्यात्मक भविष्यवाणियों से मेल खाता है।^[9]

अनुप्रयोग

बिस्मथ स्ट्रोंटियम कैल्शियम कॉपर ऑक्साइड सुपरकंडक्टर्स में पहले से ही बड़े पैमाने पर अनुप्रयोग हैं। उदाहरण के लिए, सीईआररन में लार्ज हैड्रान कोलाइडर के वर्तमान लीड में 77 K अतिचालक तार पर दसियों किलोमीटर BSCCO-2223 का उपयोग किया जा रहा है।^[10] (लेकिन मुख्य फ़ील्ड कॉइल्स मुख्य रूप से नाइओबियम-टिन पर आधारित धात्विक निम्न तापमान सुपरकंडक्टर्स का उपयोग कर रहे हैं)।

यह भी देखें

थैलियम बेरियम कैल्शियम कॉपर ऑक्साइड
लैंथेनम बेरियम कॉपर ऑक्साइड
बिस्मथ स्ट्रोंटियम कैल्शियम कॉपर ऑक्साइड
अतिचालक तार

ग्रन्थसूची

Rybicki et al, Perspective on the phase diagram of cuprate high-temperature superconductors, University of Leipzig, 2015 doi:10.1038/ncomms11413

संदर्भ

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