В преддверии большого репортажа о лаборатории «Сверхпроводящие метаматериалы», который мы готовим по результатам общего голосования, мы продолжаем рассказывать о сверхпроводимости.
Неделю назад мы опубликовали статью Алексея Башарина о неизлучающем «анаполе», после которой началась самая настоящая научная дискуссия с участием автора статьи. Статья собрала более ста комментариев, поступило много предложений относительно формата изложенного материала в публикации. Мы учли все пожелания и попросили ведущего ученого К.Б. Ефетова написать для нас экспертное мнение в научно-популярном формате по высокотемпературной сверхпроводимости, за открытие высокотемпературной сверхпроводимости купратов была вручена нобелевская премия около 30 лет назад.

Константин Борисович Ефетов является Научным руководителем проекта «Коллективные явления в квантовой материи» НИТУ «МИСиС» в рамках гранта для поддержки научных исследований программы ТОП 5-100. К.Б. Ефетов – выдающийся рецензент «Американского Физического Общества”, Директор Института теоретической физики III Рурского университета Бохума в Германии, почетный член Американского физического общества, ведущий исследователь трех проектов, финансируемых Немецким министерством научных исследований, автор более 170 публикаций, обладатель французской премии Блеза Паскаля учреждённой французским правительством и Исследовательской Премии Landau-Weizman, учреждённой Институтом Вейцмана в Израиле. Константин Ефетов — “выдающийся рецензент американского Физического Общества”. Эта Премия даётся за заметный вклад в рецензировании статей в таких журналах как Physical Review Letters, Physical Review, Reviews of Modern Physics и других.

Магнит, левитирующий над высокотемпературным сверхпроводником, охлаждаемым жидким азотом

Константин Борисович Ефетов Научный руководитель проекта «Коллективные явления в квантовой материи» НИТУ «МИСиС»

Сверхпроводимость является одним из самых красивых явлений квантовой физики. Она была открыта голландским физиком Каммерлинг-Оннесом (Kamerlingh-Onnes) в 1911 году, который научился охлаждать материалы, используя сжиженный гелий, до температуры 1.5 К (-271.5 С). Изучая электрические свойства охлажденных металлов, Каммерлинг-Оннес обнаружил, что сопротивление твердой ртути, погруженной в жидкий гелий, обращается в нуль, а проводимость становится, таким образом, бесконечной. Это свойство и было названо сверхпроводимостью, а Каммерлинг-Оннес получил в 1913 году Нобелевскую премию.

Позже сверхпроводимость была обнаружена во многих металлах, но микроскопическая теория этого загадочного явления была построена только в 1957 году американскими физиками Бардином, Купером и Шриффером (Bardeen, Cooper, Schrieffer), которые получили за эту работу Нобелевскую премию в 1972 году.

Стоит упомянуть, что правильная феноменологическая теория сверхпроводимости была предложена советскими физиками Гинзбургом и Ландау уже в 1950 году. Интересные явления в сверхпроводниках были предсказаны с помощью теории Гинзбурга-Ландау Алексеем Абрикосовым, все трое также являются лауреатами Нобелевской премии. Важно отметить, что в течение многих лет Абрикосов был заведующим Кафедрой Теоретической Физики в МИСиС. Сейчас эта кафедра называется “Кафедрой Теоретической Физики и Квантовых Технологий”, где я и работаю в рамках проекта «Toп5-100».

То, что для объяснения сверхпроводимости потребовалось 46 лет, не случайно. Это явление было открыто еще до создания квантовой механики и никак не могло быть объяснено на основе классической механики Ньютона и классической электродинамики Максвелла. В основе теории сверхпроводимости лежит понятие конденсации Бозе-Эйнштейна. Согласно этой концепции, частицы с целочисленным квантовым спином (бозоны) должны образовывать состояние, в котором все частицы когерентны (конденсат) или, иными словами, чувствуют друг друга по всему объему системы. Движение этого конденсата как целого и приводит к тому, что он не тормозится различными примесями или неоднородностями в металле, приводя к нулевому сопротивлению.

Казалось бы, вот оно и объяснение сверхпроводимости? Но это не так.

Электрический ток в металлах возникает вследствие движения электронов, а это — элементарные частицы со спином одна вторая. Но частицы с полуцелым спином (фермионы) не образуют конденсат, а других движущихся частиц в металлах нет. Каким же образом можно получить конденсат? Оказывается, два электрона с противоположными спинами могут образовывать пары, которые обладают нулевым полным спином, и эти пары уже являются бозонами и могут образовать Бозе-конденсат. Такие пары электронов называются куперовскими парами (их-то и придумал один из создателей теории сверхпроводимости Купер), и их конденсация и приводит к явлению сверхпроводимости. Но это еще не все. Нетрудно представить, что для спаривания электронов необходимо их притяжение друг к другу. Но хорошо известно из классической электродинамики, что две одинаково заряженные частицы отталкиваются, а не притягиваются.

Нашелся выход и из этого противоречия. Оказывается, притяжение между электронами может происходить путем обмена фононами — квантовыми колебаниями решетки атомов металла, и этот факт уже позволил закончить построение теории сверхпроводимости. Теперь легко понять, почему прошло 46 лет между открытием явления сверхпроводимости и его объяснением. Каждый шаг в построении теории был революционным, и этих шагов было много. И это все было сделано для объяснения явления, которое можно наблюдать в небольшой лаборатории, для этого не требуются мощные ускорители или полеты в космос.

А теперь представим, что можно было бы сделать проволоку из сверхпроводящего материала. В этом случае энергия не терялась бы при передаче на любые расстояния, и почему бы такое не попробовать?

К сожалению, в этом деле есть одно «но»: как мы уже упомянули, сверхпроводимость возникает при очень низких температурах, такую сверхпроводящую проволоку нужно было бы охлаждать жидким гелием. В то же время, само по себе охлаждение гелия требует очень больших энергетических (и, соответственно, денежных) затрат, и использование сверхпроводящих проволок оказалось бы значительно дороже стоимости энергетических потерь. Нетрудно понять, что значительные усилия в дальнейшем исследовании свойств сверхпроводников были потрачены на изучение возможности получения сверхпроводимости при более высоких температурах. В идеале, конечно, хотелось бы получить сверхпроводимость при «комнатной» температуре в 300 К (27 С). Но и сверхпроводники с температурой перехода выше точки сжижения азота (77 К) были бы очень кстати, так как получение жидкого азота гораздо дешевле, чем производства жидкого гелия.

Однако, многочисленные попытки получить сверхпроводники со столь высокой температурой не приводили к успеху вплоть до середины восьмидесятых годов. Более того, теоретические оценки давали для моделей, основанных на электрон-фононном механизме спаривания электронов, температуры перехода, не превышающие 25 К, что было недостаточно для промышленных применений.

Как гром среди ясного неба, пришло в 1986 году известие, что швейцарские ученые Беднорц и Мюллер открыли сверхпроводимость при гораздо более высоких температурах, за что уже в 1987 получили Нобелевскую премию. Материалы, которые они изучали, представляют собой окись меди и имеют слоистую структуру. Обычно для них используется слово «купраты». При комнатных температурах купраты являются плохими металлами с низкой проводимостью. По-видимому, это и является причиной того, что их не рассматривали в качестве серьезных кандидатов для создания высокотемпературных сверхпроводников.

На сегодняшний день температуры сверхпроводящих переходов в купратах достигают 140 К (-137 С). Это все еще значительно ниже комнатных температур, но уже значительно выше температуры кипения азота. Последнее обстоятельство уже привело к практическим применениям высокотемпературных сверхпроводников на практике. Уже имеются фирмы, которые производят проволоки, покрытые обычными металлами с «начинкой из купратов».

Тем не менее, вопрос о создании сверхпроводников при комнатных температурах остался до сих пор нерешенным. Простой перебор различных химических соединений не выглядит многообещающим способом получения сверхпроводимости при комнатных температурах, так как число возможных соединений огромно. Гораздо более разумно было бы сначала понять, почему температура перехода в купратах настолько превосходит соответствующие температуры в «обычных» металлах.

Является ли обмен фононами главной причиной спаривания электронов в купратах, как это происходит в обычных металлах?

Чтобы ответить на этот вопрос, огромное число как теоретиков, так и экспериментаторов взялись за изучение механизма образования сверхпроводимости в купратах. На сегодняшний день, большинство ученых считает, что фононный механизм спаривания электронов маловероятен. Число предложений выдвинутых к настоящему времени велико и все их трудно перечислить. Естественно, все они обещают высокую температуру сверхпроводящего перехода. Но что нужно делать для того, чтобы выбрать один единственный механизм, который бы однозначно объяснил происхождение сверхпроводимости, и действие которого можно было бы улучшить уже нацелено проверяя и изменяя химические соединения?

Конечно, точное вычисление температуры перехода для каждого из купратных соединений и для всех предложенных механизмов, и дальнейшее сравнение с экспериментальными данными могло бы помочь выбрать «правильный» механизм. К сожалению, этот метод использования «грубой физической силы» практически невозможен, так как на это не хватит никаких мощностей существующих на Земле компьютеров.

Как всегда, лучше подумать, этим занимаются теоретики во всем мире и, в частности, группа в НИТУ «МИСиС», которой я руковожу. Основная идея состоит в том, что разумная модель для сверхпроводимости должна объяснять не только сверхпроводимость, но и ряд других явлений в купратах. Таких явлений в купратах очень много. Например, несколько лет назад было обнаружено существование модуляции электронного заряда. Значит, правильная теория должна объяснять и это явление, что значительно сужает число кандидатов на роль механизма спаривания электронов. Работая над проблемой высокотемпературной сверхпроводимости, мы стартуем с модели электронов, взаимодействующих посредством обмена флуктуациями намагниченности. Такое предположение можно обосновывать тем, что купраты при допировании атомами кислорода претерпевают переход антиферромагнетик-нормальный металл. Сверхпроводимость может появляться только в металлическом состоянии, но близость к антиферромагнетику делает предположение об обмене антиферромагнитными флуктуациями вполне вероятным.

Разнообразие состояний купратов — Предсказываемые состояние купратов в зависимости от Т-температуры и а-концетрации дополнительных носителей (допирование). AF- антиферромагнетик, SC- сверхпроводник, PG – псевдощелевое состояние, по многим косвенным признакам похожее на сверхпроводящее, однако с ненулевым сопротивлением. Из работы K.B. Efetov, H. Meier, C. Pepin, Nat. Phys. 9, 442 (2013)

Нам уже удалось объяснить с помощью этого предположения несколько важных явлений в купратах, но приходится все время следить за новыми экспериментальными данными, которые позволяют корректировать или уточнять получаемые теоретические результаты. Нам кажется, что мы на верном пути, а наша работа поможет разобраться с явлениями, наблюдаемыми в купратах. После этого уже можно будет думать и о том, в каком направлении работать, чтобы увеличить температуру перехода. Благодаря тесному сотрудничеству с исследователями из разных стран эта задача не выглядит неразрешимой.