Провожая год столетия сверхпроводимости
Уходящий 2011 год назван годом сверхпроводимости. Теоретики призывают делать упор на экспериментальное изучение новых сверхпроводников.
Сто лет назад, в 1911 году Камерлинг-Оннес обнаружил, что при понижении температуры ниже некоторой критической электрическое сопротивление ртути обратилось в ноль. Далее было доказано, что сопротивление в этом новом, названном сверхпроводящим, состоянии действительно отсутствует, а не просто очень маленькое. Оказалось, что сверхпроводящее состояние свойственно большинству металлов, причем критическая температура у каждого металла своя. Понимание природы сверхпроводящего состояния было достигнуто лишь в 50-х годах ХХ века: Гинзбург и Ландау создали макроскопическую, а Бардин, Купер и Шриффер – микроскопическую теорию сверхпроводимости. Пришел черед практическим применениям сверхпроводимости – в 1960-х годах появились первые сверхпроводящие провода, однако хотелось бы, чтобы критическая температура сверхпроводимости была побольше: 4,2 К у ртути и даже до 20 градусов над абсолютным нулем у лучших проводов на основе традиционных сверхпроводников – слишком холодно.
Около 25 лет назад были открыты высокотемпературные сверхпроводники на основе меди. Новые соединения отличались и новой температурой сверхпроводящего перехода – недостижимыми до этого почти 100 К. Это открытие не только было тут же увенчано Нобелевской премией, но и настолько вдохновило научное сообщество, что количество публикаций по теме за год возросло в сотни раз. «У нас в Свердловске купраты были синтезированы даже несколько раньше, чем в Москве. Это произошло практически одновременно во всех основных советских физических центрах, купраты очень активно изучались, и новые научные работы появлялись одна за другой. – рассказывает Михаил Виссарионович Садовский, в своё время аспирант Теоретического отделения ФИАН, а ныне академик РАН, заведующий лабораторией теоретической физики Института электрофизики УРО РАН. – 1987-88 годы мы вспоминаем как время необычайного подъема и энтузиазма. Обычно теоретикам приходится искать новую информацию в журналах. Я же, теоретик, получал новые сведения от экспериментаторов буквально из соседней комнаты, просто встретив коллегу в коридоре института».
Но далеко не все надежды, возлагаемые на купраты, оправдались. Споры о том, какова же физическая природа этих сверхпроводников – уже привычная теория Бардина-Купера-Шриффера (БКШ) или что-то принципиально новое – ведутся до сих пор. В соответствии с этой теорией сверхпроводимость возникает при «склеивании» электронов металла в пары, а «клеем» служит взаимодействие электронов с колебаниями кристаллической решетки металла, фононами. «Основной спор происходит вокруг того, каков клей, обеспечивающий образование пар. Моделей очень много. Кроме электрон-фононной модели, например, есть модель, основанная на роли спиновых флуктуаций – фактически магнитный или антиферромагнитный механизм спаривания, – говорит Михаил Садовский. – Я согласен с моделью БКШ с точки зрения максимально общей структуры уравнений сверхпроводимости, но, конечно, тонкие детали, такие как механизм спаривания и разновидность куперовских пар, там другие. Эти детали и обуславливают особенности систем».
До недавнего времени из коллективных возбуждений в сверхпроводящих купратах хорошо видели только фононы. С появлением нового экспериментального метода – неупругого рассеяния рентгеновских лучей (новый метод измерения свойств элементарных возбуждений, хорошо дополняющий неупругое рассеяние нейтронов) – увидели и магнитные возбуждения. Но сказать, что там реально работает, на сегодняшний день сложно.
Что касается общей формулировки явления сверхпроводимости, то куперовское спаривание существует в очень большом количестве физических систем. В ультрахолодных газах, низко- и высокотемпературных сверхпроводниках, и даже в атомных ядрах и кварк-глюонной плазме можно ввести понятие о куперовском спаривании и критической температуре. По словам академика, модель БКШ работает во всех перечисленных системах, то есть основные уравнения очень похожи. Другое дело – отличаются механизмы спаривания. Например, в низкотемпературных сверхпроводниках работает электрон-фононный механизм, с этим согласны все. Но есть примеры сверхпроводников с очень низкими температурами перехода, например, SrRu2O4, где наблюдается совершенно аномальное спаривание – так называемые триплетные куперовские пары с ненулевым орбитальным моментом. Теоретики убеждены, что там работает не фононный, а магнитный механизм спаривания.
Три года назад были открыты новые соединения, так называемые пниктиды и халькогениды железа. С их появлением была разрушена монополия купратов, существовавшая в физике соединений с высокотемпературной проводимостью более 20 лет, поэтому даже несмотря на отнюдь не рекордные температуры – около 50 К у пниктидов и около 30 К у халькогенидов, их открытие – значительное событие в физике сверхпроводников. «Почти 25 лет изучались одни купраты, казалось, что плоскость CuO2 с аномальной температурой перехода, уникальна. Но с появлением пниктидов и халькогенидов выяснилось, что есть не менее богатый по разнообразию свойств набор систем, которые можно всячески легировать, пытаться менять структуру, синтезировать аналоги. Удивительно, но раньше верили, что на основе железа вообще сверхпроводимости никакой не может быть, а тут оказалось, что вся сверхпроводимость держится на ионах железа! В этом смысле эти соединения сильно отличаются от купратов, и это наводит на мысль, что на самом деле соединений с достаточно высокой температурой сверхпроводящего перехода может быть еще больше», – считает академик Садовский.
Как происходит механизм спаривания в соединениях на основе железа – еще менее ясно. Теоретические расчеты, основанные на первопринципных методах расчета энергетических спектров твердых тел, показывают, что электрон-фононное взаимодействие там недостаточно сильное. Реально механизм спаривания пока неизвестен, возможно, что это тоже работают магнитные флуктуации, но есть и возражения. К тому же, новые халькогениды железа сильно отличаются от пниктидов по электронной структуре и являются по некоторым признакам довольно сильными антиферромагнетиками, а высокотемпературных сверхпроводников, находящихся одновременно в антиферромагнитном состоянии, еще не было.
Во второе столетие сверхпроводящей эры ученые переходят с новыми результатами и с новыми вопросами. Методы вычислительной физики твердого тела или так называемые первопринципные расчеты (в них весьма сильны российские теоретики) – важная составляющая средств решения этих вопросов. Однако, по мнению Садовского, упор нужно делать на экспериментальную работу и наращивание технологической базы. В частности, сейчас ведутся работы по реконструкции и обустройству объединенной Лаборатории высокотемпературной сверхпроводимости, размещенной на территории ФИАНа. И шансы занять лидирующие позиции у нас есть. Предполагается, что к 2015 году Лаборатория станет одним из крупнейших мировых научных центров в области сверхпроводимости.
На рисунке – атомное строение высокотемпературных сверхпроводников: LaOFeAs (пниктид железа), FeSe (халькогенид железа), YBaCuO (купрат).
