Transcript d-파동 쿠퍼쌍 = 고온초전도체

고온초전도체의 역사와 전망
방 윤 규 (전남대학교)
한양대 Colloquium 9/17/2008
초전도체 란 무엇인가 ?
800 C
950 C
초전도 현상이란 ?
2.
완전 반자성체
• B=H+4πM=0
• M/H = -1/4π
60.0
40.0
0.0
M/H
저항 = 0
ρ xx (µΩ cm)
1.
20.0
-0.5
ZFC
-1.0
0
10
20
30
40
T (K)
0.0
0
50
100 150 200 250 300
T (K)
왜, 저항 ?
보통 금속 : 충돌  에너지 손실  저항
Fig. 1. Kang et al.
초전도체 – 금속, 구리산화물, 기타 합금들
= 쿠퍼쌍
 1957년: 초전도 이론 (BCS 이론) : 쿠퍼쌍의 응축 = 초전도 상태
자기 부상 열차
초전도 전선
초전도 자석
열차 부상 원리
초전도선의 단면
• 상전도 흡인식
의학분야에 이용
: MRI
- 지지레일과 자석 간의 인력으로 부상
- 정지 시, 저속에서도 부상 가능
• 초전도 반발식
- 같은 극의 자석 간에 작용하는 반발 력을
이용하여 부상
- 흡인식에 비해 제어가 쉽다
열차 추진 방식
• 동기식 : 레일과 차량에 모두 코일 설치
• 유도식 : 차량에만 코일 설치
핵융합로에 이용
• 기존의 송전선
- 저항에 의한 에너지 낭비
- 고전압 송전
• 초전도 송전선
- 에너지 낭비가 없다.
- 전압이 낮아도 된다.
- 에너지 저장이 가능하다.
자력식 수력 추진
초전도 모터
+
자
기
장
• 초전도잠수함(영화-붉은10월)
초전도 변압기
반도체 혁명에 비견할 신물질  초전도 물질
초전도 기술의 문제점 : 임계온도 Tc
100K 만 더 !!
130K = -143C
90K = -183C
20K = -253C
The APS March Meeting of 1987 - The "Woodstock of Physics
1986년: 역사의 시작:
G. Bednorz and A. Mueller in Swiss IBM 연구소
“Possible high-Tc superconductivity in La-Ba-Cu-O” Zeitschrift fur Physik  Tc=38K
(rejected from Physical Review B)
1987년: APS March meeting in New York
NYT reports “Woodstock in Physics, a special session went on until 2:00 a.m.
after midnight …”
1987년: P. Chu at U of Houston Y-Ba-Cu-O  Tc=92 K
1987년: G. Bednorz and A. Mueller 노벨상 수상.
1987-90년: 한국, 중국, 일본 … 주요 일간지 “세계 최초, 최고 합성, 발견 …”
현재까지, G. Bednorz and A. Mueller 논문: 역사상 가장 많이 인용된 과학 논문중의 하나
1986-1996 (10년간) : 고온 초전도체에 대한 논문수 > 10만 편
더 높이, 더 높이 (Eccelsio) !!
Bi2Sr2Ca2Cu3O10 Tc= 115 K
Tl2Ba2Ca2Cu3O10 Tc= 129K
HgBa2Ca2Cu3O8
Tc= 133K
1993 년: 최고 기록
Hg0.8Tl0.2Ba2Ca2Cu3O8.33 Tc= 138K  150K under pressure
2008 년 현재 Tc 경주는 답보 상태.
20세기 최대의 과학기술 혁명 ?
1. Atomic Energy: E=MC2
2. 반도체의 발견과 응용: 20세기 사회의 모든 구조를 바꿈
신물질 (New Materials) 개발의 중요성
21세기 최대의 과학기술 혁명 ?
1. 상온 (절대온도 300 K) 초전도 물질의 개발과 응용
2. 줄기세포 (stem cell) 또는 기타 바이오 관련 기술
고온 초전도체의 문제들
1.
왜 기존의 초전도체보다 100K 나 높은 Tc 를 갖는가 ?
2.
기존의 초전도 현상과 다른 물리적 원인에 의한 것인가 ?
(고온 초전도체에도 쿠퍼쌍이 존재 함 )
=> 고온 초전도체의 쿠퍼쌍은 어떻게 만들어 지나 ?
3.
임계온도 (Tc) 를 더 올릴 가능성은 있는가 ?
쿠퍼쌍의 형성
풀 (glue) > 같은 음전하간의 쿨롱 척력
Atom
BCS 공식
Tc=  Exp [-1/  ]
원자의 진동에 의해 매개 = Phonon 교환
Phonon의 진동수
Phonon과 전자의
결합상수
Tc=  Exp [-1/  ]
Tc max ~ 30 K with Phonons
고온 초전도체 (Tc =100K) : 보다 강력한 풀 (glue)
풀에 대한 중요한 단서
쿠퍼쌍의 춤의 종류
기존의 Nb3Sn 까지의 초전도체
둥글게 둥글게 = s-파동 쿠퍼쌍
이론적으로
P-파동 쿠퍼쌍 (He3)
d-파동 쿠퍼쌍 = 고온초전도체
CeM(Co,Rh,Ir)In5 ; Tc=2.3 K
D-파동 초전도
원자의 스핀요동 (magnon)
CeCoIn5
 스핀-페르미온 모델
원자의 스핀요동 (magnon)
 d-파동 쿠퍼쌍
중페르미온 초전도체
d-파동 쿠퍼쌍, Tc ~ 1 K, 스핀요동 매개 확인
고온 초전도체
d-파동 쿠퍼쌍 , Tc = 100K, 매개 힘 모름
2002 년 PuCoGa5 초전도 화합물 발견 Tc ~ 20 K,
(J. L. Sarrao et al., Nature 420, 297 (2002))
CeCoIn5
Is PuCoGa5 another Unconventional SC ?
Pu 의 역사:
1. 20억년 전 지구상에서 자연 합성: U235(10ton)  Pu239
(4ton) --> 자연 소멸 (Pu239 반감기 2000 yr)
2. 1941년 최초로 인간에 의해 합성 (
)
Atomic bomb (U235, Pu239)
1945년 까지, Pu239 (** kg)  3 bombs;
U235 (** kg)  1 bomb
Pu 의 불안전성
Pu Phases: Role of 5f Electrons
 simple evolution of binary structures for light and heavy 5f alloys; complex near Pu
 six allotropic forms of elemental Pu between liquidus at 600C and room temperature
 complexity of phases controlled by 5f configuration phase -Pu
 large-volume phase -Pu; fcc structure stabilized to room temperature by 1-2 % Ga, Al etc.
Isostructural CeCoIn5
PuCoGa5
Tc = 20 K
CeCoIn5
Tc = 2.3 K
Pairing Glue ?
Strategy : fit exp(T) with candidate boson scattering for its functional
form as well as the magnitude of exp(T)
 best boson,
ch, and   Tc
스핀 요동의 존재 확인
saturation
T4/3 ~
Pairing Symmetry ?
Symmetry Probes :
C(T)/T
Penetration depth ((T))
NMR 1/T1
Thermal conductance (κ(T))
Tunneling
Josephson Tunneling : direct phase probe
Density of states
NMR (핵자기 공명) 의 원리
핵자기
핵자기 이완 시간 T1
핵스핀 이완
자장
자장
펄스 자장
자장
Self-Consistent T-mtx Approximation for impurity in SC state
Gap Symmetry
Impurity concentration  /  0
Gap-Tc ratio
 0 / Tc
Impurity state
PuCoGa5 NMR ( Curro et al, Nature, 2005)
Dirty D-wave model calculations
S-wave model calculations
Figure 4. Normalized 1/T1. Red circles are 59Co data.
Solid lines are theoretical calculations for D-wave with
varying concentrations of unitary impurities (c=0).
Figure 7. Normalized 1/T1. Red circles are 59Co data.
Solid lines are theoretical calculations for S-wave with
varying concentrations of magnetic impurities of unitary limit
(c=0).
3종류의 D-파동 쿠퍼쌍 초전도 물질이 같은
형태의 스핀요동 동역학을 보인다.
(b) (T1T) -1 /(T1T) -10 versus T/Tc for PuCoGa5, as well as for
the unconventional superconductors YBa2Cu3O7, (Tc = 92 K)7
and CeCoIn5, (Tc=2.3 K)27 and the s-wave superconductors Al
(Tc=1.178 K)8, and MgB2, (Tc=39.2 K)11. The normalization
constant (T1T)-1 0 is given by the value of (T1T)-1 at 1.25Tc
(see Methods).
Schematic Evolution of Bandwidths across the Period Table
20
5d
Bandwidth (eV)
4d
15
3d
5f
4f
10
5
0
Atomic Number
J.D. Thompson
 Electrons in the unfilled shell become progressively more localized in the
sequence 5d  4d  3d  5f  4f
 suggests an alternative way to ‘organize’ the periodic table
Recipe to increase Tc
20
5d
Bandwidth (eV)
4d
15
3d
5f
4f
10
5
Ce
Pu
0
Ru
Cu
Atomic Number
 Electrons in the unfilled shell become progressively more localized in the
sequence 5d  4d  3d  5f  4f
 suggests an alternative way to ‘organize’ the periodic table
(2006)
( Tc ~ 4K -7K)
( Tc ~ 26 K)
(2008)
Difference and Similarity between
LaOFeAs and M(=Ce,Sm,Gd,Pr)OFeAs
FeAs planes
Strong magnetic fluctuations from Fe d-electrons
Undoped
Pengchang Dai et al
S-wave
1/T1
 (or x)
D-wave
O
penetration
O
X
Knight shift

O
Tunneling
DOS

O
C/T

O
100
'fort.91'
'fort.92'
Q
50
0
-50
-100
-100
-50
0
50
100
Two possible solutions with AFM interaction
100
100
'fort.91'
'fort.92'
+
-
50
50
-
-
-
+
+
0
0
+
-
-50
-50
-100
-100
'fort.91'
'fort.92'
-
+
-50
0
50
-100
-100
100
Double d-wave gap
dd
-50
0
50
100
Sign-changing s-wave gap
<<
ss
Penetration Depth
L. Malone et al.
Flat flat at low T
full gap !!
Y. Nakai et al.
1/T1:
• No coherence peak
• T^3 below Tc
 Line nodes
impurities
Zero energy resonance
D-wave case
Im 0 ()
Artificial S-wave case
+/-S gap
Off-centered resonance
Schematic Evolution of Bandwidths across the Period Table
20
5d
Bandwidth (eV)
4d
15
3d
5f
4f
10
5
0
Atomic Number
J.D. Thompson
 Electrons in the unfilled shell become progressively more localized in the
sequence 5d  4d  3d  5f  4f
 suggests an alternative way to ‘organize’ the periodic table
Recipe to increase Tc
20
5d
Bandwidth (eV)
4d
15
3d
5f
4f
10
5
Ce
Pu
0
Ru
Cu
Atomic Number
 Electrons in the unfilled shell become progressively more localized in the
sequence 5d  4d  3d  5f  4f
 suggests an alternative way to ‘organize’ the periodic table
21 세기의 과학 기술
상상력은 과학의 원동력 – A. Einstein