"Железный век" высокотемпературной сверхпроводимости

Международная группа учёных, в том числе российские физики из Москвы, Черноголовки и Екатеринбурга, провели исследования одного из «членов» недавно открытого семейства сверхпроводников на основе соединений железа и определили, что эта экзотическая форма сверхпроводимости имеет сложный характер с множественными энергетическими щелями сверхпроводника.

Принципиально важным для понимания механизмов сверхпроводимости является тот факт, что ширина энергетической щели сверхпроводника никогда не становится нулевой вокруг изоэнергетической поверхности Ферми.  Результаты проведенного исследования были опубликованы в одном из ведущих физических журналов мира - Physical Review B.

После открытия явления высокотемпературной сверхпроводимости в сложных оксидах меди (купратах) экзотическая сверхпроводимость, обладающая некими неожиданными свойствами, была обнаружена также в некоторых слоистых соединениях железа. И хотя критические температуры в этих новых веществах всё ещё ниже, чем в купратах, можно с определённой долей уверенности прогнозировать, что в области физики конденсированных сред вслед за происходящим в настоящее время «медным веком» должен последовать «железный век».

Во всех справочниках говорится, что сверхпроводимость – это способность некоторых металлов иметь строго нулевое сопротивление при температурах ниже определённой температуры, известной как критическая. Это явление обычно применяется в конструкциях электромагнитов для ускорителей заряженных частиц (включая Большой адронный коллайдер - Large Hadronic Collider), и, например, в ядерной магнитно-резонансной томографии – одном из наиболее перспективных методов медицинской диагностики.

Когда Джон Бардин (John Bardeen) ещё в далёком 1957 году вместе с Леоном Нилом Купером (Leon Neil Cooper) и Джоном Робертом Шриффером (John Robert Schrieffer) объяснил механизм сверхпроводимости (сейчас этот механизм известен как "BCS mechanism" – по первым буквам фамилий авторов, или теория Бардина-Купера-Шриффера), эта теория казалась настолько математически элегантной, что она немедленно была принята научным сообществом. Джон Бардин – американский физик, который получил две нобелевские премии по физике: в 1956 году за транзистор совместно с Уильямом Брэдфордом Шокли (William Bradford Shockley) и Уолтером Браттейном (Walter Houser Brattain) и в 1972 году за основополагающую теорию обычных сверхпроводников совместно с Леоном Нилом Купером (Leon Neil Cooper) и Джоном Робертом Шриффером (John Robert Schrieffer).

Сегодня эта теория по-прежнему неуязвима для критики, но физики постепенно приходят к выводу о том, что теория Бардина-Купера-Шриффера только объясняет основы намного более сложной феноменологии сверхпроводимости. Эта теория объясняет металлическую сверхпроводимость объединеним свободных электронов в металле в так называемые куперовские пары. Образование пар инициируется взаимодействием электронов с фононами, таким образом, в результате их притяжения, вызванного колебаниями ионов кристаллической решётки, возникает явление сверхпроводимости. При описании условий, ведущих к сверхпроводимости, основополагающее понятие о поверхности Ферми играет принципиальную роль. Эта поверхность разделяет квантовые состояния, занимаемые электронами, и незаполненные квантовые состояния (свободные энергетические уровни). Следует отметить, что поверхность Ферми – это скорее поверхность в импульсном (или обратном) пространстве, чем обычном координатном пространстве.

В рамках теории Бардина-Купера-Шриффера сверхпроводимость является следствием существования некоторой энергетической щели возле этой поверхности – энергетической зоны, запрещённой для электронных состояний. Поверхность Ферми первоначально считалась сферической с постоянной шириной щели.

Как утверждает заведующий кафедрой физики низких температур и сверхпроводимости Московского государственного университета профессор Александр Васильев, один из участников проведенного исследования, в действительности всё намного сложнее. Форма поверхности Ферми может быть далека от  сферической и зависит от многочисленных факторов, таких как, например,  внешнее давление. Щели, с другой стороны, могут быть множественными. И объединение электронов может быть вызвано некоторыми другими явлениями, не только колебаниями кристаллической решётки, в частности, колебаниями магнитной подсистемы.

Сверхпроводники на основе железа, которые изучали  участники проводимого эксперимента, были открыты совсем недавно, в 2008 году. Сразу же после этого открытия перед учёными встал ряд вопросов. На эти вопросы существует очень мало удовлетворительных ответов. Авторы статьи в журнале Physical Review B  объясняют, что они выбрали для своих исследований селенид железа, поскольку у него самое простое строение кристаллической решётки из всех сверхпроводников на основе соединений железа, и он представляется идеальной целью для более глубокого изучения.   

Профессор Васильев говорит, что такие объекты изучаются во всех ведущих лабораториях мира. В описанном эксперименте изучались внешние поля и температурные зависимости критических параметров, главным образом, так называемого «первого критического поля» (самого слабого магнитного поля, способного проникать в кристаллическую решётку). Полученная в результате проведенных исследований информация, несомненно, окажется исключительно полезной для дальнейшего анализа механизмов сверхпроводимости в сверхпроводниках на основе соединений железа.

Участники этого эксперимента смогли добиться важных научных результатов благодаря очень высокому качеству сверхпроводников, изготовленных в лабораториях выращивания кристаллов Московского государственного университета доцентом кафедры химии и конструктором научного оборудования, которое используется во многих лабораториях мира, Дмитрием Чареевым, а также благодаря оригинальной методике обработки экспериментальных данных, предложенной бельгийскими физиками Махмудом Абдель-Хафизом (Mahmoud Abdel-Hafiez) и Виктором Мощалковым.

Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что сверхпроводимость в селеноиде железа вызвана либо сильной модуляцией энергетической щели, либо она возникает в результате существования двух энергетических щелей, ширина которых отличается на порядок величины. Авторы статьи в журнале Physical Review B считают исключительно важным результатом тот факт, что ширина щели никогда бывает равной нулю у поверхности Ферми. Приведенные в данной статье экспериментальные данные могут во многом помочь учёным-теоретикам, разрабатывающим в настоящее время теорию одного из самых загадочных и интригующих явлений квантовой физики, которое находит всё больше применений в современных технологиях.