Открыт новый тип высокотемпературных сверхпроводников
|
Физикам удалось синтезировать новый тип сверхпроводников с общей химической формулой ReFeAsO (где Re обозначает какой-либо из редкоземельных металлов: Sm — самарий, Nd — неодим, Pr — празеодим, Ce — церий, La — лантан). Эти вещества обладают неожиданно высокой температурой перехода в сверхпроводящее состояние, достигающей 55 К. В состав почти всех открытых до этого высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) входил оксид меди. Полученный впервые широкий класс некупратных ВТСП вселяет надежду на то, что будет наконец найдено теоретическое объяснение явления высокотемпературной сверхпроводимости, а также открывает новые возможности на пути к дальнейшему повышению температуры перехода в сверхпроводящее состояние.
Сверхпроводимость — это явление полного отсутствия сопротивления при протекании электрического тока, а также идеальный диамагнетизм (то есть «выталкивание» магнитного поля из образца: магнитное поле не проникает вглубь материала).
Идеальный диамагнетизм сверхпроводника можно пояснить тем, что по поверхности образца начинает течь незатухающий ток, магнитное поле которого полностью компенсирует внешнее магнитное поле. Плотность незатухающего тока, экранирующего внешнее магнитное поле, быстро убывает при удалении от поверхности внутрь сверхпроводника. Соответственно, в этой области уменьшается внешнее магнитное поле от некоторого значения на поверхности до нуля в глубине. Описанное явление было открыто в 1933 году немецкими физиками Вальтером Мейснером и Робертом Оксенфельдом и носит название эффекта Мейснера–Оксенфельда. Принято считать состояние сверхпроводящим, если оно удовлетворяет двум требованиям: отсутствие сопротивления и выталкивание магнитного поля из образца (эффект Мейснера–Оксенфельда).
Вне всяких сомнений, главной задачей технологов — специалистов по «прикладной» сверхпроводимости является создание сверхпроводника с комнатной критической температурой (Tc). Разумеется, искать наобум такие материалы сложно, поэтому на помощь материаловедам приходят физики, которые своими моделями стараются указать направление поиска. Хотя, как показывает история, в случае со сверхпроводимостью, скорее, наблюдается обратный процесс — технологи находят ВТСП, теоретики строят модель. Тем не менее если бы теория высокотемпературной сверхпроводимости была построена, поиск веществ с комнатной Tc наверняка бы стал проще.
Первой теорией, удовлетворительно описывающей явление сверхпроводимости, была теория Бардина–Купера–Шриффера (теория БКШ). Это теория низкотемпературной сверхпроводимости. Суть ее в следующем: электроны в веществе, посредством взаимодействия с колебаниями кристаллической решетки материала (фононами), объединяются в пары, называемые куперовскими, и ведут себя как будто единый «организм» с огромными по атомным масштабам размерами. Вследствие этого электронная система куперовских пар «не замечает» препятствий при своем протекании через материал (то есть испытывает нулевое сопротивление).
Когда в 1986 году Йоханнес Беднорц и Карл Мюллер, сотрудники Цюрихского филиала корпорации IBM, обнаружили способность керамики на основе оксида меди, лантана и бария
Попытки применить теорию БКШ к объяснению высокотемпературной сверхпроводимости не увенчались успехом; в настоящее время существует больше десятка разнообразнейших в своих подходах моделей, каждая из которых в отдельности дает некоторые правильные предсказания. Важно отметить, что, как видно из графика на рисунке 1, в состав всех открытых после
До настоящего времени наиболее высокой температурой перехода (39 К) среди некупратных ВТСП обладал диборид магния MgB2. Сверхпроводимость в нем была открыта в 2001 году и, как выяснилось, имеет свои интересные особенности: столь высокая критическая температура достигается за счет существования в нем двух (!) «сортов» куперовских пар, которые, взаимодействуя между собой, повышают критическую температуру.
Первое сообщение об открытии некупратного ВТСП под названием Iron-Based Layered Superconductor
|
Конечно, 26 К — это еще не 39. Однако это было только начало. В своей статье (еще в феврале) Хосоно предположил, что Tc можно увеличить, например, сжимая материал или заменяя лантан другим элементом. И действительно, некоторое время спустя стали появляться сообщения об открытии сверхпроводимости в других арсенид-железных соединениях. Вот названия статей в хронологическом порядке: Superconductivity at 36 K in Gadolinium-arsenide Oxides
И вот совсем недавно появилась статья Superconductivity at 55 K in iron-based F-doped layered quaternary compound
|
![Рис. 3. Зависимость удельного сопротивления от температуры у Sm[O0.9F0.1]FeAs, допированного фтором (черная линия), и у SmOFeAs (красная линия). Стрелками на вставке показан температурный интервал сверхпроводящего перехода вещества. График из статьи Superconductivity at 52 K in iron-based F-doped layered quaternary compound Pr[O1-xFx]FeAs](/images/03/001588.jpg)
Одновременно с открытием этих соединений встал вопрос о том, как в них образуется сверхпроводимость — то есть каким образом происходит возникновение куперовских пар, ответственных за сверхпроводимость вещества.
Выяснилось, что по своей кристаллической структуре ReFeAsO практически ничем не отличаются от купратных сверхпроводников — такое же чередование слоев, по которым и происходит распространение сверхпроводящего тока (см. рис. 3). Такая аналогия навела ученых на мысль, что, вероятно, природа образования сверхпроводимости у них такая же, как и в купратных ВТСП. Для проверки этой гипотезы были выполнены расчеты, которые показали, что, если куперовские пары образуются в «свежеиспеченных» ВТСП так, как это предсказывает теория БКШ, то критическая температура в них не должна превышать 1 К, что очевидно противоречит экспериментальным данным. Появлялись работы, в которых говорится о таких же механизмах образования сверхпроводимости, как в дибориде магния. Однако, как и в случае с купратными ВТСП, окончательной теории пока что тоже не создано.
Тем не менее недооценивать важность этих открытий нельзя. Вполне возможно, что новый вид арсенид-железных ВТСП поможет пролить свет на теоретическое объяснение высокотемпературной сверхпроводимости и укажет технологам путь к повышению критической температуры.
Юрий Ерин
1911 г. — первое сообщение о явлении сверхпроводимости ртути Камерлинг–Оннесом;
1986 г. — открытие первого ВТСП-материала — керамики на основе лантана, бария и оксида меди;
1987 г. — Чу и др. синтезируют материал YBa2Cu3O7-x (иттрий–барий–оксид меди) с критической температурой 93 К, то есть выше температуры кипения азота;
январь 1988 г. — Маеда и др. наблюдают в соединении Bi2Sr2Can-1CunO2n+4 (n = 3) Tc = 108 К;
февраль 1988 г. — Шенг и Херман получили сверхпроводник Tl2Ba2Ca2Cu3O10 с Tc = 125 К;
1993 г. — Антипов, Путилин и др. открыли ряд ртутьсодержащих сверхпроводников состава HgBa2Can-1CunO2n+2+d (n = 1–6).
В настоящее время фаза HgBa2Ca2Cu3O8+d имеет наибольшее известное значение критической температуры (135 К), причем при внешнем давлении 350 тыс. атмосфер температура перехода возрастает до 164 К, что лишь на 19 К уступает минимальной температуре, зарегистрированной в природных условиях на поверхности Земли.
На графике не отмечен 2001 год — открытие сверхпроводимости в дибориде магния MgB2 с Tc = 39 К. График с сайта www.chem.msu.su