Железный век сверхпроводимости

Исследовав один из представителей нового семейства сверхпроводников, международная команда физиков с участием российских ученых сделала открытие, которое может помочь до конца разобраться в физических основах сверхпроводимости — наиболее таинственного и увлекательного явления квантовой физики, все более востребованной современными технологиями.

Результаты этой работы опубликованы в одном из наиболее престижных физических журналов мира — Physical Review B.

Вслед за открытием высотемпературной сверхпроводимости в сложных оксидах меди экзотическая, то есть обладающая многими необычными чертами, сверхпроводимость была обнаружена в слоистых соединениях железа. И хотя критические температуры перехода в сверхпроводящее состояние в новых объектах уступают пока аналогичным параметрам своих предшественников, можно с уверенностью утверждать, что в развитии физики конденсированного состояния медный век сменился железным.

Согласно всем справочникам, сверхпроводимость — это свойство некоторых материалов обладать строго нулевым электрическим сопротивлением при достижении ими температуры ниже определенного значения (критическая температура).

Это явление нашло широкое применение в создании электромагнитов для ускорителей заряженных частиц (в том числе и на Большом адронном коллайдере) или, например, в ядерно-резонансной томографии — одном из наиболее передовых методов диагностики в медицине.

Когда в 1957 году изобретатель транзистора Джон Бардин вместе с Леоном Купером и Джоном Шриффером объяснили механизм сверхпроводимости (он получил название по первым буквам фамилий ученых — БКШ , он был настолько математически элегантен, что ни у кого не вызывал сомнений. Сегодня он остается таким же неприступным для критики, но физики все больше приходят к выводу, что механизм БКШ представляет собой лишь основу сложного комплекса явлений, обуславливающих сверхпроводимость.

По БКШ, сверхпроводимость возникает вследствие объединения несущих ток электронов в пары, которое вызывается их взаимодействием с фононами. В создании условий для сверхпроводимости играет роль такое важное понятие, как поверхность Ферми. Под этим термином понимается граница в атоме между энергетическими квантовыми уровнями, которые уже заняты электронами, и уровнями, которые еще свободны. Все это имеет место в пространстве не обычных координат, а импульсов. Возникновение сверхпроводимости по БКШ вызывается наличием на этой поверхности некой энергетической щели — совокупности энергетических уровней, запрещенных для заполнения.

Поверхность Ферми исходно считалась сферической, и щель на ней могла предполагаться на всех участках одной и той же.

По словам одного из участников проведенного исследования, профессора Александра Васильева, заведующего кафедрой физики низких температур и сверхпроводимости физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова, в реальности все сложнее.

Форма поверхности Ферми может быть далека от сферической (она зависит от разных факторов — например, от внешнего давления). Щелей, в принципе, может быть несколько. Да и спариваться электроны могут не только при посредстве колебаний решетки: роль посредника могут играть колебания в магнитной подсистеме вещества.

Сверхпроводники, основанные на соединениях железа, которыми занимались авторы статьи, были открыты сравнительно недавно, в 2008 году. Почти сразу эти соединения поставили перед исследователями множество вопросов. На эти вопросы существует очень мало ответов, которые бы всех устроили. Исследователи выбрали для изучения селенид железа — из всего уже весьма многочисленного семейства «железных» сверхпроводников он имеет простейшую кристаллическую структуру и в силу этого обстоятельства является «идеальным» кандидатом для изучения.

По словам профессора Васильева, такие объекты исследуются во всех ведущих лабораториях мира.

В описываемом эксперименте изучались температурная и полевые зависимости критических параметров селенида железа и прежде всего так называемого «первого критического поля» (минимального магнитного поля, способного проникнуть внутрь кристалла). Полученная информация оказалась очень важна для дальнейшего анализа механизмов сверхпроводимости в железных сверхпроводниках. Прорыву способствовали исключительно высокое качество сверхпроводников, изготовленных Дмитрием Чареевым в ростовых лабораториях Московского государственного университета, и оригинальный метод обработки экспериментальной информации, предложенный бельгийскими физиками Махмудом Абдель-Хафизом и Виктором Мощалковым.

Из результатов проведенных измерений вытекает, что сверхпроводимость в селениде железа связана либо с сильной модуляцией энергетической щели, либо с наличием двух, отличающихся почти на порядок, энергетических щелей. Очень важным представляется также полученный авторами статьи вывод о том, что сверхпроводящая щель не зануляется ни на одном из фрагментов поверхности Ферми. Изложенная в статье совокупность экспериментальных наблюдений может оказаться хорошим подспорьем для ведущих теоретиков мира, разрабатывающих физические основы одного из наиболее таинственных и увлекательных квантовых физических явлений, все более востребованных современными технологиями.