P НАНОТЕХНОЛОГИЯ КОМНАТНОТЕМПЕРАТУРНЫХ СВЕРХПРОВОДНИКОВ НА ОСНОВЕ МУЛЬТИЭЛЕКТРОННОЙ ТЕОРИИ » Блог

канд.техн.наук

Bookmark and Share




Создание комнатнотемпературного сверхпроводника

Окт 16, 2009 | 13:10

НОВЫЕ СВОЙСТВА ЭЛЕКТРОНА

Для решения проблемы сверхпроводимости выполнено обобщение результатов, полученных в различных областях физики:
- Абдуса Салама (Нобелевский лауреат (1979), который просчитал все последствия введения цветового заряда для электрона и успешно использовал его в своей теории электроядерных взаимодействий (Pati J.C., A. Salam. Lepton number as fourth “color”// Physycal Review D, vol 10, num 1, 1974, p.275-289);
- Йотиро Намбу (Нобелевский лауреат (2008), применившего аналогию сверхпроводимости и цветового взаимодействия кварков, УФН, 1978, т.124.вып.1);
- Константина Новоселова (Нобелевский лауреат (2010), предложившего новое квантовое число для электрона - (псевдоспин) - для описания свойств двухцветных электронов в графене;
- акад.Л.Б. Окуня (высказавшего возможность существования калибровочной симметрии SU(2) частиц с большим радиусом конфайнмента, УФН, 1981,т.134.вып.1);
- проф, д.физ-мат.наук М.Б. Менского (ФИАН)(обосновавшего предположение, что лептоны (электроны) – это кварки, вырвавшиеся на свободу. См в монографии Группа путей: измерения, поля, частицы, M.: Едиториал УРСС, 2003).
-физика-теоретика, проф. А.А. Кецариса (МГТУ),(который в своем варианте единой теории взаимодействий высказал гипотезу о цветовых (черных и белых) зарядах лептонов (электронов). См. монографию АЛГЕБРАИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ФИЗИКИ: Пространство-время и действие как универсальные алгебры 2-е изд. Издательство. УРСС. , 2004).

МЕТОД ЭЛЕКТРОННО-КВАРКОВОЙ АНАЛОГИИ 

_ Для решения проблемы сверхпроводимости был разработан метод электронно-кварковой аналогии (ЭКА), в основу которого были положены свойства электрон-глюонной двухцветной хромоплазмы, как частный случай трехцветной кварк-глюонной плазмы, рассматриваемой в квантовой хромодинамике.
_ Глубокая аналогия между электроном и кварками была установлена в следующем:
– наличии электронного конфайнмента, характеризующего связанное состояние частиц в парах Купера, ковалентных парах Люиса, биэлектронах Гросса, электридах Бента, плазмароне (графен), аналогичного конфайнменту между кварками в нуклонах и мезонах;
– наличии у электрона короткодействующего (в пределах комптоновской длины волны), эффективного цветового заряда, по величине такого же, как у кварков;
– наличии у электрона одновременно экранировки электрического заряда и антиэкранировки цветового заряда, таких же как у кварков;
– наличии расчетного выражения для определения константы цветового электронного взаимодействия, на основе диаграмм Фейнмана,совпадающего с расчетным выражением такой же константы для кварков;
– в одинаковом, с кварками, распределении электрических зарядов электронов в пропорции (1/3) и (2/3) между ионами и возникающей, при связанном состоянии электронов, мультичастицей в ковалентной химической связи;
– наличии линейного потенциала цветового взаимодействия между электронами в пределах дебаевского экранирования в хромоплазме (хромоплазменный электронный конденсатор), совпадающим качественно с линейным потенциалом взаимодействия кварков в нуклонах, согласно квантовой хромодинамике (КХД);
– наличие границы асимптотической свободы для цветового взаимодействия электронов, обратно пропорциональной квадрату постоянной тонкой структуры и аналогичной границе для кварков, определяемой константой КХД;
– совпадении термодинамических характеристик глюонов в электрон-глюонной плазме с их термодинамическими характеристиками в кварк-глюонной плазме;
– совпадении, по внешнему виду, Лангранжиана КХД для кварков и Лангранжиана КЭД для электронов.

ПРОВЕРКА АДЕКВАТНОСТИ МЕТОДА

_ Адекватность разработанного метода проверена на экспериментальных данных потенциалов ионизации и размеров атомов химических элементов, комплексных экспериментальных характеристик молекулярной связи (размеров молекулы, Энергии диссоциации, потенциалов ионизации и их электронных спектрах), а также на экспериментальных данных по критической температуре низкотемпературных и высокотемпературных сверхпроводников.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

_ Установлено, что носителем заряда в ВТСП и КТСП является самостоятельная частица - мультиэлектрон. С помощью искусственного интеллекта определены её свойства, разработан механизм и математическая модель явления, которая обобщает результаты как для низкотемпературных, так и для высокотемпературных сверхпроводников. Установлены свойства комнатнотемпературного сверхпроводника и рекомендации по технологии его изготовления. Мультиэлектронная теория сверхпроводимости опубликована в ОНЖ, 2007, №17 и на этом сайте.

_ При решении проблемы был использован комплексный подход, который предусматривал не только создание адекватного механизма сверхпроводимости, но и его экспериментальное подтверждение. Главное, на что было обращено внимание – ясность в понимании механизма сверхпроводимости. В итоге была установлена основная причина этого уникального явления – наличие у электронов цветового заряда. Полученные косвенные доказательства этого, позволили даже в простейшем, “наивном” варианте математической модели получить законченный вариант теории, способной рассчитывать параметры комнатнотемпературного сверхпроводника с удовлетворительной для практики точностью.

_ C помощью искусственного интеллекта (нейронные сети) обобщены результаты более 300 экспериментальных работ по свойствам различных сверхпроводников.С целью повышения точности обработки экспериментальных данных были созданы новые методы и алгоритмы диагностики на основе ассоциативных нейронов с повышенными корреляционными свойствами и способов определения степени компетентности нейронных сетей.
_ http://scipeople.ru/uploads/materials/4749/scherbatsky2.pdf
_ http://tage.ru/?book=disser&cat=n25&str=150&nomer=3118
_ В результате был определен вероятный размер частицы, ответственной за сверхпроводимость. В классическом понимании этот размер близок к комптоновской длине волны электрона, что соответствует релятивистскому характеру процессов.
_ Вместе с этим, были выяснены основные причины, по которым длительное время большое количество исследователей не могло получить результаты. К первой, объективной причине, относится сильная “маскировка” на фоне различных взаимодействий частицы, ответственной за сверхпроводимость. Ко второй, субъективной причине, можно отнести ограниченность и стереотипность в представлении физики процесса. В результате обобщения полученных ранее другими исследователями результатов стало понятно, что задача сверхпроводимости только в рамках физики твердого тела (ФТТ) не имеет решения. Сверхпроводимость, как явление, имеет фундаментальный характер и для её изучения, кроме ФТТ, необходимо объединять такие разделы науки, как
- общая теория поля;
- астрофизика и физика плазмы;
- физика элементарных частиц;
- квантовая хромодинамика;
- квантовая химия;
- молекулярная и атомная спектроскопия;
- электроника;
- информационные технологии с искусственным интеллектом.

Мнение российского физика-теоретика Александра Кецариса (http://ketsaris.1gb.ru) по поводу разработки екатеринбургских ученых:
"Объектом моих интересов является единая основа для современной физики. В частности, общая математическая основа для описания фундаментальных частиц, прежде всего лептонов и кварков. Если за указанную основу взять симметрии компонент волновой функции, то на нерелятивистском уровне для частиц со спином имеем два типа волновых функций, одна из которых хорошо изучена и соответствует лептонам. Естественно второй тип волновой функции отождествить с кварками. На релятивистском уровне волновая функция кварков разделяется на три разновидности, которые также естественно отождествить с кварками трёх цветов. Однако, на этом же уровне волновая функция лептонов разделяется на две разновидности и ничего не остаётся, как предположить, что лептоны (в частности, электрон)двухцветны. И, как следствие, считать, что эти электроны подчиняются, подобно кваркам, силам цветового притяжения. И, подобно адронам,должна существовать пара разноцветных электронов, объединённых цветовым взаимодействием. Естественно считать такой парой куперовскую пару.
Мне кажется, что Ваша работа становится совершенно ясной в сочетании с указанной идеей. Мне очень интересны изложенные в Вашей работе Ваши представления о геометрической структуре электронной пары и о структуре канала, по которому эта пара может двигаться свободно.
Помимо большой практической ценности для меня Ваша работа ценна тем,что даёт косвенное подтверждение гипотезы о существовании электронов двух типов. Необходимо отметить, что, по-моему, в отличии от кварков, возможно прямое подтверждение существования белого и чёрного электронов. При этом, конечно, нужно иметь в виду, что на шредингеровском уровне эти электроны неразличимы".

МЕТОД ОБНАРУЖЕНИЯ ЦВЕТОВОГО ЗАРЯДА ЭЛЕКТРОНОВ

_ Действительно, одним из методов обнаружения цветового заряда электронов может быть известный метод растровой туннельной микроскопии. Создатели сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) Герд Бинниг и Гейнрих Рорер (Нобелевская премия 1986) (УФН, 1988, т.154.вып.2) отмечали возможность СТМ фиксировать различия в электронных оболочках. Эти различия Нобелевские лауреаты предложили называть цветом атомов. Если игла кантилевера СТМ имеет на конце, например, атом с электронной оболочкой черного цвета, то её взаимодействие на поверхности кристалла с атомами одинаковых химических элементов, но с противоположными по изоспину электронами, будет также различаться. По данным Г. Биннига и Г. Рорера, такое различие будет выражаться в разном вкладе цветового заряда черных и белых электронов в туннельный ток.
_ Уже получены экспериментальные данные, косвенно подтверждающие этот метод. Приведем, в качестве примера, исследования методом СТМ общеизвестного интерфейса Cu-O в ВТСП, в котором были обнаружены цветовые различия в электронных оболочках атомов O (M. J. Lawler, K. Fujita, Jhinhwan Lee, Others. Intra-unit-cell electronic nematicity of the high-Tc copperoxide pseudogap states Department of Physics, Applied Physics and Astronomy, Binghamton University, Binghamton, NY 13902-6000, USA. Laboratory for Atomic and Solid State Physics, Department of Physics, Cornell University, Ithaca, NY 14853, USA.)
_ Аналогичные результаты были получены и на структуре графена, где цветовое различие выразилось в периодической модуляции цветом электронных оболочек атомов С (V.G. Kirichenko, E.S. Melnikova THE FEATURES OF FORMATION AND SIMULATION OF GRAPHITE MONOATOMIC LAYERS Kharkov National University, High Technology Institute, Physical and Technical Department 31 Kurchatov St., Kharkov, 61108, Ukraine).

Откуда в кристалле берутся цветные электроны? Они берутся из валентных электронных оболочек атомов химических элементов. Заполнение оболочек в Периодической системе элементов происходит в строгом соответствии со скрытой цветовой симметрией,определяемой изоспином т.е. соблюдается хромоэлектрический принцип их построения. ( Более подробно см. статьи Г.П. Гордеева (http://element123.ru) и наши на( http://refractories1.narod.ru)).


МЕХАНИЗМ СВЕРХПРОВОДИМОСТИ

_ Механизм сверхпроводимости соответствует закономерностям взаимодействия частиц в плазме и представляется следующим образом. Противоположные по цветовому заряду электроны притягиваются и образуют связанное состояние в виде новых квантовых частиц очень маленьких, комптоновских размеров. Частицы вибрируют с ленгмюровской хромоплазменной частотой, дебаевской амплитудой и одновременно рассеиваются друг на друге. Рассеивание частиц происходит под углом, поэтому периодически возникает угловой момент и, соответственно, импульсное вращение вокруг центра рассеивания. Возникающая Центробежная сила выталкивает частицы в свободное пространство кристалла, где они сосредотачиваются, образуя зону сверхпроводимости в виде канала с вигнеровской структурой. Если к мультиэлектронам, находящимся в таком канале, приложить электрическое поле, то они обеспечивают направленное движение электрического заряда без сопротивления, т.е. образуют сверхток.
Чтобы возникли мультиэлектроны, нужны специальные условия. Например, можно сделать проводник в виде слоев металла и изолятора. Тогда такой проводник становится сверхпроводником без охлаждения.

КРИТЕРИЙ СВЕРХПРОВОДИМОСТИ

_ Энергия связи мульчастицы (me) определяется балансом сил отталкивающих (кулоновского, центробежного) и притягивающего (цветового), потенциалов. Особенности механизма образования её таковы, что центробежный и цветовой короткодействующий потенциалы постоянны, а возникновение связанного состояния зависит только от величины дальнодействующего эффективного кулоновского заряда электронов.
_ Максимальное значение этого заряда, при котором еще наблюдается связанное состояние частиц, определяется из указанного баланса и равно q(me)= 1,41е, что меньше 2е. Следовательно, два электрона с общим зарядом 2е в обычных условиях никогда не образуют связанную куперовскую пару. Чтобы такая пара образовалась, необходимо экранирование заряда 2е положительным внешним зарядом, например, зарядом ионов, находящихся в узлах кристаллической решетки (применительно к интерфейсу Cu -O).
_ Установленное критическое значение эффективного заряда q(me) < 1,41е является первым условием критерия сверхпроводимости.
_ Вторым условием этого критерия является значение расстояния (d = d(кр)) между me, в вигнеровской структуре сверхпроводящего канала. Оно должно быть таким, чтобы вигнеровские орбитали перекрывались и обеспечивалась телепортация заряда от частицы к частице. Так как, размер d(кр) связан с постоянной кристаллической решетки (а), то он может быть без труда рассчитан или измерен.
_ Указанные два условия совместно образуют критерий сверхпроводимости.
_ Величина q(me)= 1,41е соответствует и численно равна значению критерия каппа(1/k) в известной теории сверхпроводимости Гинзбурга-Ландау (ГЛ). Это не случайно, так как глубину проникновения магнитного потока и размер зоны когерентности, используемые в ГЛ, можно интерпретировать как длину волны ленгмюровских колебаний и обратную величину волнового вектора me, соответственно.
_ Следовательно, известная теория ГЛ является частным случаем обобщающей мультиэлектронной теории.
_ Разработанный критерий сверхпроводимости справедлив не только для сверхпроводников с кристаллической структурой. Он может быть применен для сверхпроводящих аморфных полимерных пленок и вакуумных прослоек, в которых электрон-фононное взаимодействие заведомо отсутствует.

ЗАРУБЕЖНЫЕ ПОДТВЕРЖДЕНИЯ МЕТОДА

Имеются зарубежные подтверждения мультиэлектронной теории. В настоящее время сверхпроводник, работающий по мультиэлектронному принципу при комнатных температурах, может быть изготовлен как в объемном, так и в пленочном виде. Стабильные результаты демонстрируют:
_ Хорватский физик Дэниэл Джурек из института А.Вольта, который любезно прислал авторам сайта свою новую технологию КТСП с Тс = 356 К. Competing contributions of superconducting and insulating states in Ag5Pb2O6/CuO composite Danijel Djurek (Alessandro Volta Applied Ceramics (AVAC), 10000 Zagreb, Kesten brijeg 5, Croatia ).
_ Профессор Йохан Ф. Принс, также предоставивший авторам сведения о разработке комнатнотемпературного сверхпроводника на допированных алмазах. Sage Wise 66 (Pty) Ltd. Trading as CATHODIXX Почтовый ящик 1537, Cresta 2118, Йоханнесбург, Южная Африка веб-сайт: www.cathodixx.com ( Граница раздела алмаз – вакуум: II. Экстракция электронов из n-типа алмаза: подтверждение сверхпроводимости при комнатной температуре. Johan F Prins, Отделение физики Университета Претории (Department of Physics, University of Pretoria), Pretoria 0002, Gauteng, South Africa).
_ Лаборатория Л. Григорова в США, которая получила мировую известность в реализации КТСП с Тс = 473 -700 К на мультиэлектронных полимерных пленках (патент US: 5,777,292).The Superconductivity at Room Temperature and Much Higher in New Polymer Films. Leonid N. Grigorov; Dmitry N. Rogachev Pages 133 – 138, Molecular Crystals and Liquid Crystals, Volume 230, 1993.
_ _ Полученные ультрапроводники в виде дискретных макромолекулярных структур, характеризуются очень высокой электрической проводимостью (> 10*11 S / см -1) и плотности тока (> 5 х 10*8 А/см2), в широком диапазоне температур (1,8 до 700 K ). Дополнительные экспериментальные измерения полимерных КТСП включали в себя:
• _отсутствие измеримого тепловыделения при высоких текущих токах;
• _наличие теплопередачи против электропроводности на порядок выше, чем обычно, в нарушение закона Видемана-Франца;
• _скачкообразный переход к резистивному состояния при критическом токе;
• _нулевой коэффициент Зеебека в интервале температур 87 - 233 K;
• _нулевое сопротивление ультрапроводящих пленок при их размещении _между токосъемными сверхпроводящими электродами, имеющими _криогенную температуру.
__Ультрапроводники ( толщиной 1 - 100 микрон) сохраняют свои свойства в течении долгого времени после их получения и обработки.
_ Сайт американцев: http://www.chavaenergy.com/how/ultraconductors/.
_ Новые свойства электрона являются фундаментальными свойствами и проявляются не только в сверхпроводимости.
_ Доктор наук Константин Новоселов (University of Manchester) в отзыве выразил благодарность и заинтересованность. Данная разработка объяснила открытые им новые релятивистские свойства электронов в графене, что стало важным для создания корпорацией IBM уникального транзистора c рабочей частотой 100 Ггц. Dr. Kostya Novoselov School of Physics & Astronomy Schuster Building University of Manchester Oxford Road Manchester, M13 9PL, UK www.kostya.graphene.org
_ Константин Новоселов стал Нобелевским лауреатом по физике 2010. На данном сайте имеется видеозапись выступления Константина Новоселова, где он рассказывает о своих достижениях, новом квантовом числе электрона и его обнаружении в графене.
_ Экспериментальное обнаружение мультичастицы в графене (плазмарона), выполнено в работе Bostwick A, Speck F, Seyller T, Horn K, Polini M, Asgari R, MacDonald AH, Rotenberg E. Observation of plasmarons in quasi-freestanding doped graphene. Science. 2010 May 21;328(5981):999-1002. Advanced Light Source (ALS), E. O. Lawrence Berkeley Laboratory, MS6-2100, Berkeley, CA 94720, USA.


РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

В России Сверхпроводник при комнатной температуре создан физиком В.Л. Деруновым.
_ В экспериментах применена усовершенствованная методика Айвара Живера (Нобелевский лауреат по физике (1973). С помощью нанотехнологий была синтезирована наногетероструктура диэлектрик-металл-диэлектрик, в которой создали специальные условия для возникновения мультичастиц. В результате получили металл, сверхпроводящий устойчиво в диапазоне температур 77-620 К. Для изучения и демонстрации свойств полученного сверхпроводника при комнатной температуре (293 К) на основе этих наногетероструктур были изготовлены образцы с контактами Джозефсона. Такие структуры, как известно, являются общепризнанным мировым эталоном для установления эффекта сверхпроводимости в тонких пленках толщиной от 5 до 30 нм.
_ Особое внимание в экспериментах КТСП было уделено погрешностям, связанным с возможными неконтролируемыми как поверхностными, так и внутренними структурными изменениями в образцах, при их изготовлении. Эти погрешности могли бы приводить к резким изменениям электропроводимости (закоротки) и неправильной идентификации КТСП. Поэтому для проверки и устранения указанных возмущений, методика тестовых низкофоновых измерений КТСП носила комплексный характер, с одновременной идентификацией следующих эффектов в основных и контрольных образцах:
_ – двухчастичного туннелирования при разных температурах образцов с определением критического тока;
_ – Джозефсона на переменном токе;
_ – Джозефсона на постоянном токе;
_ – поглощения СВЧ излучения;
_ – влияние магнитного поля на квантование тока в образцах и идентификация их диамагнетизма;
_ – наблюдение и регистрация структуры сверхпроводящих каналов.
_ Измерения электрических характеристик ВАХ выполнялись на стандартных характериографах, имеющих метрологическую сертификацию. Расчеты проводились с погрешностью не более 0,02% .
_ Комплексные электрические и магнитные измерения образцов подтвердили наличие в них диамагнитной проницаемости, равной -0,06, что характерно для сверхпроводимости при комнатной температуре (КТСП).
_ Основным результатом выполнения наукоемкого проекта по созданию КТСП явилось определение необходимых этапов нанотехнологии, предусматривающих компьютерный расчет свойств и выбор исходного материала, создание сверхпроводящих носителей, структуры кристаллической решетки с необходимой электронной концентрацией, синтез слоевой наногетероструктуры и стабилизацию носителей сверхтока.

Для демонстрации и доказательства эффекта сверхпроводимости при комнатной температуре произведена видеосъемка эффекта Джозефсона и других тестовых характеристик полученной SIS структуры. Таким образом сделан реальный практический шаг в реализации мечты академика В.Л. Гинзбурга и разработке перспективной российской технологии сверхпроводников (Воронеж (НИИЭТ)-Екатеринбург (УрФУ).

_ Экспериментальные результаты по КТСП в 2010 г. прошли положительную независимую проверку в Англии (Кембридж). Получено предложение о сотрудничестве, которое было принято специалистами НИИЭТ(Воронеж).
На выполненную авторским коллективом НИР приведены отзывы, как положительные, так и с критикой. Будем признательны посетителям сайта за присланный отзыв (mvkir@mail.ustu.ru)
Так же можно посмотреть презентацию проекта нанотехнологии комнатнотемпературного сверхпроводника и сверхпроводящего транзистора.

РАЗВИТИЕ МЕТОДА ЭЛЕКТРОННО-КВАРКОВОЙ АНАЛОГИИ

Выполнена новая разработка, показывающая общую цветовую природу химической связи и сверхпроводимости.
На основе экспериментальных данных прецизионной рентгеновской томографии и лазерных оптических съемок молекул показано, что электронная пара Купера, обобществленная электронная пара Льюиса в молекулярной связи и электрид Бента в кристаллах это общее проявление способности электронов образовывать связанные состояния.
Сделан научный доклад на Пятой Российской научно-технической конференции "Физические свойства металлов и сплавов ФСМиС-У=5"(Екатеринбург,2009). Тезисы доклада опубликованы в Материалах конференции, презентация доклада представлена на сайте.

(Россия, Екатеринбург, УГТУ-УПИ, mvkir@mail.ustu.ru)

Разработки выполнены авторами в свободное от основной работы время и на собственные средства


Нет комментариев  

Вам необходимо зайти или зарегистрироваться для комментирования