В МГУ прояснили свойства самого загадочного типа сверхпроводников
Новый класс материалов может найти применение в самых разных областях, вплоть до создания более эффективных термоядерных реакторов.
Физики во главе со Светославом Кузьмичёвым из Московского государственного университета разобрались в том, как возникает сверхпроводимость в многощелевых сверхпроводниках. Предполагается, что благодаря своим необычным свойствам именно многощелевые сверхпроводники окажутся наиболее полезными в целом ряде практических приложений. Соответствующая работа опубликована в Journal of Superconductivity and Novel Magnetism.
Проблема многощелевых сверхпроводников давно занимает внимание физиков из различных стран мира. От обычных сверхпроводников их отличает наличие двух или нескольких «энергетических щелей» — диапазонов энергий (или, что то же самое, температур), при которых в материале возникает сверхпроводимость. Хотя их существование было предсказано еще в 1950-х годах, большинство учёных относилось к такому предсказанию как к сомнительному. По крайней мере, до тех пор, пока в 2001 году не был открыт первый материал такого типа — диборид магния. Сейчас их известны уже десятки, и многие, к удивлению учёных, содержат железо, что, вроде бы, делает сверпроводимость в таких материалах невозможной вообще. Поэтому конкретные механизмы, стоящие за феноменом многощелевых сверхпроводников, всё ещё слабо понятны теоретикам.
Основная проблема в том, что атомы железа и других магнитных материалов ранее считались несовместимыми со сверхпроводимостью. По существующим представлениям, она возникает только тогда, когда электроны с разнонаправленными спинами (упрощённо – направлением «вращения») объединяются в так называемые куперовские пары, у которых суммарный спин равен нулю (грубо говоря, они «не вращаются»).
В обычном случае в сверхпроводниках (материалах, которые при определённых условиях приобретают сверхпроводящие свойства) куперовские пары электронов с противоположным спином (или, условно, — «обнулённым») движутся через атомную решётку вещества вместе. Этот эффект возникает вследствие того, что один электрон, пролетая на высокой скорости между положительно заряженными ионами кристаллической решётки, на время вызывает среди них возмущение, как бы вытягивая их на себя. Эти ионы движутся гораздо медленнее электрона и не успевают его притянуть. Затем они возвращаются на свои исходные позиции, но на какое-то время в месте пролёта первого электрона возникает положительный потенциал. Этот потенциал позволяет ещё одному электрону быстро и с гораздо меньшими энергетическими затратами проскочить вслед первому электрону. Таким образом, они всегда действуют взаимосвязано.
Поскольку спин всегда — это магнитный момент частицы, то в присутствии внешнего магнитного воздействия сохранить нулевой суммарный спин, на первый взгляд, невозможно. И действительно, если в обычный сверхпроводник внести атом железа или другого ферромагнитного материала, тот быстро теряет свои сверхпроводящие свойства. Поэтому вопрос о том, почему с железосодержащими сверхпроводниками, «нашпигованными» атомами ферромагнетика, этого не происходит, – крупная теоретическая проблема, над решением которой интенсивно работают в лабораториях ключевых научных держав мира.
В ходе экспериментов физики рассчитали зависимость параметров сверхпроводящего состояния от температуры для сверхпроводящих щелей нескольких многощелевых сверхпроводников. «Энергетической щелью» в случае этих материалов принято называть диапазон температур, при которых в них возникает сверхпроводимость. У обычных сверхпроводников энергетическая щель всего одна, однако для ряда железосодержащих материалов и «нежелезного» диборида магния (с частичным замещением магния на алюминий) их больше одной. При этом рассчитать диапазон параметров этих щелей очень непросто.
Поэтому, чтобы проверить полученные расчёты, учёные во главе с Кузьмичёвым впервые в мире провели прямые экспериментальные измерения зависимостей поведения сверхпроводников от температуры для двух энергетических щелей. При этом было обнаружено крайне близкое соответствие данных измерений ранее проведённым расчётам.
В результате российским физикам удалось выяснить, какова природа большинства возникающих в таких материалах куперовских пар. До этого существовало две гипотезы образования куперовских пар в железосодержащих сверхпроводниках. По первой, такие пары возникали внутри одной зоны (щели). Согласно второй гипотезе, пары образовались в рамках межзонного взаимодействия.
Светослав Кузьмичёв отмечает:
— Нами было показано, что определяющую роль в механизме сверхпроводимости диборида магния и железосодержащих сверхпроводников играет внутризонное спаривание носителей.
Понимание этого вопроса крайне важно: от характера образования куперовских пар зависит само поведение сверхпроводника при различных внешних условиях. Новая работа существенно проясняет природу сверхпроводимости в железосодержащих соединениях, считающихся весьма перспективными среди всех известных сверхпроводников.
Плотность тока, который можно пропустить через этот класс материалов, в 10 — 100 раз выше, чем у самых эффективных аналогов, из которых делают современные сверхпроводящие магниты. Такие магниты применяются в перспективных термоядерных реакторах, где они удерживают плазму и обеспечивают саму возможность работы реактора. Как констатирует Кузьмичёв, сравниться с железосодержащими сверхпроводниками по этому параметру сегодня не может ни один другой подобный материал.
— Так что, я думаю, в этом смысле им скоро не будет альтернативы, — полагает учёный.
