Ученые заглянули в загадочную псевдощель

Ученые из Японии увидели собственными глазами, каким образом в высокотемпературном сверхпроводнике возникает явление, называемое сверхпроводимостью. И в этом им помог сканирующий туннельный микроскоп. Кроме того, исследователям удалось увидеть загадочную псевдощель и выяснить, что именно ее появление предшествует возникновению сверхпроводимости.

Прежде чем разобраться в том, что именно удалось увидеть ученым, давайте вспомним, а что такое, собственно говоря, сверхпроводимость. Обычно под этим термином подразумевают полное отсутствие в проводнике электрического сопротивления и восприимчивости к внешнему магнитному полю (то есть его силовые линии не проникают внутрь материала). И несмотря на то, что это явление впервые было открыто еще в 1911 году, окончательная теория, его объясняющая, была создана только в 1957 году американскими физиками Джоном Бардиным, Леоном Купером и Робертом Шриффером (по первым буквам фамилий первооткрывателей ее обычно называют БКШ).

Так вот, согласно постулатам БКШ, при температуре ниже Tc (критическая температура, при которой меняются свойства материала) за счет квантов колебаний кристаллической решетки вещества (то есть фононов) между электронами возникает притяжение, именуемое электрон-фононным взаимодействием. Поскольку оно является более сильным, чем хорошо знакомое нам кулоновское отталкивание между одинаково заряженными частицами, то электроны начинают объединяться в так называемые куперовские пары.

Эти пары интересны тем, что они ведут себя когерентным образом: проще говоря, они представляют собой единую систему, в которой все, что происходит с одной частицей, автоматически одновременно происходит и с другой. Благодаря такому "единению мыслей и устремлений" электроны могут без потерь энергии, и, следовательно, без всякого сопротивления со стороны материала протекать через кристаллическую решетку вещества.

Однако, как гласит та же БКШ, образовывать куперовские пары могут далеко не все электроны. Как мы помним, в металлах эти частицы с меньшими значениями энергии (то есть те, что ближе к ядру атома) располагаются в валентной зоне, а те, которые с большей энергией (то есть расположенные дальше от него) — в зоне проводимости (они-то, собственно говоря, и проводят электрический ток). Кстати, в полупроводниках и изоляторах валентную зону и область проводимости разделяет энергетическая щель — количество энергетических уровней, которые электроны в данном материале занимать не могут. И чем больше ее величина, тем сильнее выражены изолирующие свойства материала.

Так вот, расчеты БКШ показали, что при температурах ниже критической в сверхпроводниках начинается образование куперовских пар. Но в нем участвуют только электроны из зоны проводимости, чей уровень энергии близок к значениям так называемого уровня Ферми (у каждого проводника эти значения свои). В итоге получается, что вблизи уровня Ферми свободных электронов как бы не существует (раз они все в пары объединились), то есть возникает типичная энергетическая щель, разделяющая валентную и проводимую зоны. Ученые называют ее сверхпроводящей щелью.

Однако еще раз повторю, что в классической версии БКШ подобное имеет место быть только при температурах ниже критической, а значение таковых выше, то такая энергетическая щель исчезает. Поэтому, когда позже были открыты высокотемпературные сверхпроводники, физики, увидев, что такая же щель может образовываться при температурах выше Tc, были весьма озадачены. Но поскольку такое явление действительно имеет место быть, то для того, что бы не вносить путаницу в терминологию, ее назвали псевдощелью. И с этого момента и до сих пор не прекращаются попытки выяснить, что же представляет собой псевдощель и почему она образуется?

Любопытно, что несмотря на огромное количество самых разнообразных данных, накопленных со времени открытия высокотемпературных сверхпроводников в 1986 году, было всего несколько попыток проведения микроскопических исследований того, как возникает сверхпроводящее состояние в таких материалах. То есть до сих пор исследователи пользовались в основном теоретическими моделями. И вот недавно ученые из Института физико-химических исследований RIKEN (Япония) решили исправить эту оплошность.

Для своего исследования физики воспользовались сверхстабилизированным сканирующим туннельным микроскопом. Они рассматривали кристаллы образцов сверхпроводника Ca₂CuO₂Cl₂ именно в тот момент, когда в нем по всем признакам существовала эта самая загадочная псевдощель. В результате им удалось выяснить, что значительную роль в наступлении данного состояния играют атомы натрия, которыми ученые допировали (допирование — это реакция полимеров с донорами или акцепторами электронов) исходный материал.

Японские ученые убедились в том, что после того, как содержание натрия превосходило некий критический уровень, материал становится сверхпроводящим при достаточно высокой температуре. Таким образом им удалось наглядно доказать постулат о том, что образование псевдощели в высокотемпературных сверхпроводниках действительно предшествует наступлению состояния сверхпроводимости (до этих экспериментов некоторые физики сомневались в том, что между этими явлениями имеется связь).

Во время экспериментов физики могли наблюдать, что при очень низких уровнях допирования натрием исходного сверхпроводника наблюдалось формирование кластеров из атомов нанометрового размера, которые всегда появляются при образовании псевдощели. По мере увеличения концентрации натриевых атомов отдельные кластеры из них начинали постепенно сливаться. В конце концов наступало их полное соединение, и в ту же секунду материал начинал обнаруживать свойства сверхпроводника.

Итак, взаимосвязь между псевдощелью и сверхпроводимостью теперь окончательно доказана. Сейчас исследователи думают над тем, почему образование первой приводит к появлению второй — может быть, те самые куперовские пары возникают именно в гостевых кластерах, причем тогда, когда они достигнут нужного размера? Для того, что бы ответить на этот вопрос, необходима новая серия экспериментов.