Обнаружен сверхпроводник с необычной электронной структурой
|
Опыты показали, что электроны в свинцово-серебряном оксиде Ag5Pb2O6 движутся на удивление свободно, но при этом обеспечивают сверхпроводимость. Понимание этого явления будет важным шагом на пути к теории высокотемпературной сверхпроводимости.
Сверхпроводимость — способность пропускать электрический ток без малейшего сопротивления — это один из редких примеров, когда описывающие микромир квантовые законы становятся важными и для обычного макроскопического мира. Слово «важный» здесь надо понимать буквально: сверхпроводимость вполне может привести к настоящей революции в энергетике. Всё, что для этого требуется, это создать вещество, остающееся в сверхпроводящем состоянии не только при низких, но и при комнатных температурах.
Рекордные на сегодняшний день температуры перехода в сверхпроводящее состояние (130–140 К, то есть около –140°C при атмосферном давлении) достигнуты в сверхпроводящих купратах — слоистых керамических соединениях (см. подробности в онлайн-курсе на сайте химического факультета МГУ). Для того чтобы добиться повышения температуры перехода еще на сотню градусов, надо вначале разобраться с этими керамиками, понять, откуда там берется сверхпроводимость, построить теорию высокотемпературных сверхпроводников. И вот эта задача пока что не по зубам теоретикам.
Впрочем, подобные ситуации в науке не редкость, и физики уже знают, что в этом случае делать. Если исходная система слишком сложна и в ней не удается разобраться «с наскоку», полезно найти какую-то другую, похожую систему, но попроще, отточить теорию сначала на ней, а уж потом вернуться к исходной сложной задаче.
Именно такому поиску «простых» сверхпроводников посвящены сейчас усилия многих исследователей. Последний громкий успех в этом направлении случился пять лет назад, когда была открыта сверхпроводимость диборида магния, соединения с чрезвычайно простой кристаллической решеткой. И вот совсем недавно, благодаря работе английских и японских физиков M. Sutherland et al., Physical Review Letters, 96, 097008 (10 March 2006), доступной также как cond-mat/0509547, в распоряжении физиков оказался еще один чрезвычайно простой сверхпроводник — свинцово-серебряный оксид Ag5Pb2O6.
Это соединение было впервые синтезировано полвека назад, но долгое время было доступно не отдельными кристаллами, а в виде порошка. Впрочем, это не помешало определению общей структуры кристаллической решетки, которая оказалась похожей на слоистую решетку сверхпроводящих керамик: в Ag5Pb2O6 плоские решетки из атомов серебра чередуются со слоями из кластеров PbO6, и все это вдобавок насквозь пронизано цепочками серебра. Такую структуру простой точно не назовешь.
Пару лет назад ученые научились выращивать монокристаллы Ag5Pb2O6 миллиметровых размеров (в порошкообразном состоянии стандартные размеры кристалликов — микроны или даже нанометры). Эксперименты с такими кристалликами, проведенные англичанами и японцами, впервые позволили определить и электронные свойства этого соединения. Вот тут-то исследователей и поджидал сюрприз: несмотря на столь сложную кристаллическую решетку, электронная структура этого вещества оказалась на удивление простой. Выяснилось, что электроны проводимости в этом веществе вообще движутся чрезвычайно свободно. Экспериментальные данные выглядели так, словно влияние отдельных атомов на движение электронов как бы компенсировалось и в результате свойства электронов мало отличались от свойств свободных частиц в пустом пространстве!
Для сверхпроводника это совершенно поразительная, почти противоестественная картина. Действительно, сверхпроводимость — это результат синхронного коллективного движения, при котором каждый электрон очень хорошо «чувствует» своих соседей и подстраивается под их движение. В случае Ag5Pb2O6, однако, получается, что каждый электрон очень слабо связан с решеткой и с остальными электронами, но несмотря на это умудряется участвовать в коллективном движении.
Нельзя сказать, что такое поведение электронов в Ag5Pb2O6 стало совсем уж неожиданностью для теоретиков. Сравнивая результаты эксперимента с разнообразными попытками теоретического описания, авторы статьи отметили, что по крайней мере одной исследовательской группе (T. Oguchi, Physical Review B 72, 245105, 7 December 2005) удалось с высокой точностью теоретически предсказать электронную структуру этого вещества. Их вычисления, впрочем, довольно сложны и пока не позволяют объяснить простыми словами, в чем причина такого эффекта.
Сейчас же, благодаря проведенным экспериментам, становится ясно, что ситуация на самом деле гораздо проще, чем казалось вначале. Из-за того, что воздействие решетки на движение электронов слабое, должна существовать какая-то простая и прозрачная теория, описывающая сверхпроводимость в Ag5Pb2O6. Если такая теория действительно будет построена и если она поможет «угадывать» новые слоистые сверхпроводники, это станет настоящим прорывом в теории высокотемпературной сверхпроводимости.
Игорь Иванов
