Вода усиливает сверхпроводимость?
|
Чтобы усилить сверхпроводимость (повысить критическую температуру сверхпроводящего перехода), ученые обычно прибегают к сильному сжатию исследуемого образца или добавлению в его состав специально подобранного химического элемента (допированию). Группа японских физиков во главе с Хидео Хосоно, который первым открыл высокотемпературную сверхпроводимость в железосодержащих сплавах, обнаружила сверхпроводящий переход с критической температурой 25 К в абсолютно недопированных и несжатых пленках SrFe2As2. Эксперименты исследователей указывают на то, что сверхпроводимость в данном соединении возникает под действием воды, которую оно поглощает из воздуха.
«Усилить» сверхпроводимость в веществе, то есть повысить критическую температуру, можно двумя способами. Во-первых, сжимая данное вещество. Так, в сверхпроводнике HgBa2Ca2Сu3O8, находящемся под огромным давлением 3,1 ГПа, или 31 тыс. атмосфер, критическая температура прыгает сразу на 31 К — со 134 до 165 К; это наибольшее проверенное значение Tc на сегодняшний день. И во-вторых, допируя данное вещество каким-либо другим веществом — то есть заменяя часть атомов одного элемента атомами другого. Так, открытый в 1986 году один самых первых (хронологически самым первым было открыто синтезированное Георгом Беднорцем и Карлом Мюллером соединение La2-xBaxCuO4 с Tc = 30 К) высокотемпературных сверхпроводников соединение La2-xSrxCuO4 — лантановая керамика, допированная стронцием, так что степень допирования x равна 0,15, — имеет максимальную критическую температуру 40 К и является сверхпроводящим, если степень допирования находится в интервале от 0,05 до 0,3. Если же x не принадлежит данному интервалу или вообще не происходит замены части атомов лантана на атомы стронция, то такое вещество будет диэлектриком и не станет сверхпроводящим ни при каких условиях.
Оказалось, что есть еще и третий вариант: просто выдержать в течение нескольких часов приготовленный образец на воздухе, позволив ему поглощать водяной пар из атмосферы, — и получим сверхпроводник. Статья группы японских ученых, обнаруживших это явление, недавно появилась в Архиве электронных препринтов. На первый взгляд это похоже на спекуляцию или на непроверенные данные, однако работа японских физиков привлекла внимание научного мира из-за авторитетности имени руководителя этой группы и соавтора обсуждаемой публикации — Хидео Хосоно. Именно он открыл сверхпроводимость в содержащих железо сверхпроводниках ReOFeAs (где Re — редкоземельный металл), допированных фтором.
Небольшое историческое отступление. С февраля 2007 года, когда группа Хосоно открыла сверхпроводимость в сплаве LaO1-xFxFeAs (степень допирования менялась от 0,05 до 0,12) с Tc = 26 К, по настоящее время список сверхпроводников, имеющих железо в своем составе, существенно расширился. По сути, можно выделить 4 семейства таких сверхпроводников: 1) семейство, с которого всё началось, — ReOFeAs, 2) AeFeAs (где Ae — щелочноземельные металлы, например стронций Sr), 3) AFeAs (где A — щелочные металлы) и 4) совсем недавно обнаруженное семейство FeSe. Максимальная критическая температура 56 К наблюдалась в соединении GdFeAsO, но только допированным уже не «традиционным» фтором, а торием Th.
Хосоно и его коллеги занималась изучением сверхпроводимости в пленках SrFe2As2, «разбавленных» кобальтом (атомы кобальта частично заменяли собой атомы железа). Ранее ими было показано, что в таком сплаве Tc = 20 К. В недопированном состоянии, то есть без примесей кобальта, пленка вообще не переходит в сверхпроводящее состояние, как и любой другой железосодержащий сверхпроводник, будь он в форме пленки, моно- или поликристалла. Обычно измерения сопротивления с целью выявления сверхпроводящего перехода в исследуемых образцах ученые проводят сразу после приготовления сплава. Хосоно с сотрудниками решили повторно измерить температурную зависимость сопротивления для «отработанных» образцов спустя значительное время (несколько часов) после их «выпечки». Удивительно, но пленки, без всякого допирования кобальтом, начали проводить ток без сопротивления при температуре 25 К и ниже! Это даже на 5 К выше, чем в случае с добавлением кобальта в эти пленки. Зависимость их удельного сопротивления от температуры приведена на рис. 1. Получается, что, выдержав в своей лаборатории пленку соединения SrFe2As2 на воздухе с относительной влажностью 40–70% в течение 6 часов, ученые смогли наблюдать четкий сверхпроводящий переход с Tc = 25 К. Японцам ничего не оставалось, как выдвинуть предположение, что причина такого явления — вода, поглощаемая пленкой из воздуха.
Чтобы удостовериться в том, что «катализатором» сверхпроводимости в этом сплаве является действительно водяной пар, содержащийся в воздухе, пленки выдерживались 24 часа в атмосферах других газов — азота, кислорода и углекислого газа. Резистивные измерения показали, что практически вплоть до абсолютного нуля сверхпроводящего перехода не наблюдалось (рис. 2). И лишь присутствие водяного пара снова рождало сверхпроводимость в SrFe2As2.
|
По-видимому, считают авторы, данное вещество благодаря воде испытывает какие-то структурные или химические изменения, которые приводят к появлению в нём сверхпроводящего перехода. Если эксперименты группы Хосоно подтвердятся в других лабораториях и на других железосодержащих соединениях, то теоретики получат новый возможный механизма сверхпроводимости в этой группе сверхпроводников.
Источник: Hidenori Hiramatsu, Takayoshi Katase, Toshio Kamiya, Masahiro Hirano, and Hideo Hosono. Water-induced superconductivity in SrFe2As2 // arXiv:0903.3710 (22 March 2009).
