Как были получены новые данные в изучении сверхпроводимости?

В области исследования сверхпроводимости многое остается неизвестным, но исследование ученых из Оксфорда, опубликованное в журнале Nature, проливает свет на одну из давних загадок. В статье было заявлено о подтверждении сверхрешеточной модели образования «карманов», из которых и развивается сверхпроводимость.

Сверхпроводимость — это одно из самых интересный физических явлений, открытых в XX веке. В 1911 году голландский физик и химик Хейке Камерлинг-Оннес обнаружил, что электрическое сопротивление ртути внезапно обращается в ноль, если охладить ртуть до температуры ниже 4.1 Кельвина. Таким образом проводимость металла обращается в бесконечность. Новое явление, названное сверхпроводимостью, было впоследствии обнаружено при низких температурах во многих металлах.

В течение долгого времени природа сверхпроводимости была загадкой. К описанию этого явления приложили руку многие выдающиеся физики, включая российских Нобелевских лауреатов Ландау, Гинзбурга, Абрикосова. В 1950-е годы элегантное объяснение сверхпроводимости предложили американские ученые Бардин, Купер и Шриффер. По первым буквам их фамилий предложенная ими модель была названа моделью БКШ. Эта модель предполагает, что проводимость металла обращается в бесконечность тогда, когда частицы, переносящие электрический ток, электроны, начинают образовывать пары, «танцевать» друг вокруг друга, сохраняя, впрочем, почтительное расстояние до своего визави. В отличие от одиночных электронов, которые движутся хаотически, сталкиваются друг с другом и образуют заторы, как машины на МКАД, пары электронов движутся плавно и стройно: так, если бы все московские автомобилисты поехали вдруг с одинаковой скоростью, ускоряясь и замедляясь одновременно, пробок не стало бы. Чтобы объяснить, как две частицы с одинаковым зарядом, которые должны были бы отталкиваться в соответствии с законом Кулона, известным каждому школьнику, начинают притягиваться и образовывать пары, БКШ предположили, что в процессе своего «вальса» электроны постоянно обмениваются квазичастицами, описывающими колебания кристаллической решетки, — фононами. Надо сказать, что притягивающие взаимодействия в мире элементарных частиц, как правило, так и возникают: частицы перебрасываются виртуальными мячиками, и это удерживает их вместе.

Модель БКШ с успехом объяснила имевшиеся в то время экспериментальные данные и считалась единственно верной до 1986 года, когда швейцарский физик Мюллер и его немецкий коллега Беднорц открыли сверхпроводимость в керамиках на основе химических элементов лантана, бария и меди, соединенных с кислородом. Сверхпроводимость в этой и других керамиках наблюдалась при гораздо более высоких температурах, чем в металлах, и была гораздо более устойчива к магнитному полю. Новые экспериментальные данные никак нельзя было объяснить в модели БКШ. Обмен фононами обеспечивает слишком слабое притяжение, в то время как пары электронов в высокотемпературных сверхпроводниках связывает гораздо более мощное взаимодействие неизвестной пока природы.

Между тем новые эксперименты вызвали сенсацию: казалось, еще немного, и сверхпроводимость будет обнаружена при комнатной температуре, что приведет к технологической революции мирового масштаба. Мюллер и Беднорц получили Нобелевскую премию, сотни лабораторий начали изучать высокотемпературные сверхпроводники, физики-теоретики начали ломать голову над новой моделью сверхпроводимости. Несмотря на колоссальные усилия ученых до сих пор в этой области физики остается больше вопросов, чем ответов. Единая теория высокотемпературной сверхпроводимости до сих пор не построена, а значит, нет и рецепта, как сделать сверхпроводник с более высокой критической температурой.

До сих пор рекордная температура, при которой удалось наблюдать сверхпроводимость, остается существенно ниже, чем -100 градусов Цельсия.

Работа группы Лонзариха из знаменитой Кавендишской лаборатории Кембриджа (стены этой лаборатории помнят Томсона, Резерфорда и Капицу) — это маленький шаг к разгадке тайны высокотемпературной сверхпроводимости. Ученые из Кембриджа взяли одну из наиболее популярных сверхпроводящих керамик и поместили ее в магнитное поле колоссальной величины — до 100 Тесла. Для сравнения: магнитное поле Земли примерно в миллион раз слабее. В магнитных полях такой силы разрушаются даже очень крепко держащиеся друг за друга пары электронов: поле растаскивает их в разные стороны. Появляется возможность изучить геометрию так называемой «сферы Ферми» — поверхности постоянной энергии (именуемой энергией Ферми) в пространстве скоростей электронов. При нулевой температуре все электроны имеют энергию меньше или равную энергии Ферми, в то время как все энергетические состояния с более высокой энергией пусты. Геометрия сферы Ферми чрезвычайно важна для понимания механизма возникновения электронных пар: именно электроны, находящиеся на поверхности Ферми, переносят электрический ток, следовательно, именно они должны формировать пары. Двигаясь друг вокруг друга, танцуя своеобразный «вальс», они перемещаются по поверхности Ферми.

В 2007-2008 годах несколько групп физиков пришли к мысли, что в сверхпроводящих керамиках поверхность Ферми образует карманы. Специфическая форма таких карманов может объяснить колоссальную энергию связи электронных пар. Одни группы связывали появление карманов с волнами зарядовой плотности, создающими сверхрешеточный потенциал в кристалле, то есть периодическую последовательность максимумов и минимумов электронной плотности. Их оппоненты отрицали нарушение симметрии кристаллической решетки. Эксперимент, поставленный в Кембридже, убедительно продемонстрировал, что правы были сторонники сверхрешеточной модели. Измерить геометрию Ферми оказалось возможным, прогоняя электронный уровень Ферми (энергию Ферми) по лестнице уровней квантования электрона в магнитном поле — так называемых уровней Ландау, предсказанных советским физиком Львом Ландау еще в 1930 году.

Двигать уровень Ферми можно, приложив к образцу керамики электрическое поле. Проводимость образца осциллирует при прохождении уровня Ферми через уровни Ландау. По положению и амплитуде этих осцилляций можно восстановить геометрию поверхности Ферми. Итак, результат получен: карманы возникают из-за волны зарядовой плотности, которая нарушает симметрию кристаллической решетки и приводит к формированию электронной сверхрешетки.

Решило ли это наблюдение загадку высокотемпературной сверхпроводимости? Конечно, нет. Неясной остается и причина возникновения электронной сверхрешетки, и механизм притяжения электронов друг к другу, и многое другое. Хорошая теория должна предсказывать новые эффекты, указывать путь к достижению сверхпроводимости при более высоких температурах. Такой теории пока нет. Наука не стоит на месте. Очень вероятно, что сверхпроводимость еще ждет великое будущее. Если все-таки удастся пронаблюдать это явление при комнатной температуре, станет возможным транспортировать без потерь огромные потоки электроэнергии, строить летательные аппараты на магнитной подушке, делать сверхбыстрые компьютеры и многое другое.

  Алексей Кавокин - кандидат физико-математических наук, профессор Университета Саутгемптона, руководитель группы квантовой поляритоники Российского квантового центра, научный директор Средиземноморского института фундаментальной физики (Италия)