Высокотемпературные сверхпроводники были открыты более 20ти лет назад, но по сей день остаются загадкой.
Это тема, где еще можно сделать много научных открытий, которые можно будет внедрить во многих отраслях промышленности, например, в электросетевом хозяйстве.
Примечательно, что сверхпроводимость была обнаружена у оксидной керамики, обычно проявляющей диэлектрические или полупроводниковые свойства.
Казалось бы, традиционные интерметаллиды, органические или полимерные структуры подходили больше.
Новый взгляд позволил в течение короткого времени создать новые поколения металлоксидных сверпроводников в США, Японии, Китае и России.
Керамические материалы на основе оксида меди проводят электрический ток без потерь при намного более высокой температуре, чем обычные сверхпроводники, которая, впрочем, гораздо ниже комнатной.
Известно, что в обоих случаях сверхпроводимость обеспечивается спариванием электронов и формированием из всей их совокупности единого коллективного квантового состояния.
Однако ученые до сих пор не знают, какие силы удерживают электроны в парах в высокотемпературных сверхпроводниках.
Было выдвинуто несколько предположений, но ни одно из них не было доказано. Результаты недавних экспериментов позволяют исключить из рассмотрения 2 серьезные гипотезы.
В низкотемпературных сверхпроводниках электроны взаимодействуют через фононы - кванты тепловых колебаний положительно заряженных ионов, составляющих кристаллическую решетку металла.
Ее искажение, возникающее при прохождении одного электрона, через несколько микросекунд оказывает влияние на его партнера.
Таким образом, при испускании и поглощении фононов между электронами возникает слабое взаимное притяжение.
Такая модель обычной сверхпроводимости называется теорией Бардина-Купера-Шриффера (БКШ) - в честь ученых, разработавших ее в 1957 г.
Когда в 1986 г были открыты высокотемпературные сверхпроводники, их еще называют сверхпроводниками на основе купратов, выяснилось, что теория БКШ в существующем виде не способна объяснить некоторые их особенности.
Прежде всего при более высоких температурах энергия тепловых колебаний решетки намного превышает энергию взаимного притяжения электронов, обусловленную фононами.
(Правда, недавно этот предел критической температуры был поставлен под сомнение.)
Кроме того, замена изотопов в БКШ-сверхпроводнике влияет на характеристики фононов (более тяжелые атомы колеблются с меньшей частотой) и приводит к изменению критической температуры на вполне определенную величину, которая у высокотемпературных сверхпроводников оказывается иной.
Не могут быть объяснены в рамках теории БКШ и многие общие свойства между различными составами купратов в нормальном и сверхпроводящем состоянии.
Пытаясь разобраться в природе сил, вызывающих спаривание, физики занялись изучением излома на графике энергии спаренных электронов.
Многие ученые связывают его с магнитным резонансом - одним из типов коллективного состояния электронов.
Вместе с тем одна экспериментальная группа попыталась опровергнуть сложившиеся представления о необычных сверхпроводниках и представила свидетельства того, что причина излома кроется в фононах.
Результаты, полученные в Университете Макмастера и в Брукхейвенской национальной лаборатории, похоже, исключают магнитный резонанс и фононы из числа претендентов на звание причины спаривания электронов в высокотемпературных сверхпроводниках.
Для определения энергии спаренных электронов измеряли зависимость интенсивности инфракрасного излучения, рассеянного на сверхпроводнике, от длины волны.
Группа во главе с Томасом Таймаском (Thomas Timusk) выявила на фоне рассеяния в широком диапазоне частот острый пик, который явно связан с изломом, обнаруженным в других экспериментах.
Однако он отсутствует в результатах аналогичных опытов со сверхлегированными материалами, которые содержат больше атомов кислорода и поэтому переходят в сверхпроводящее состояние при более низких температурах.
Таким образом, фононы, присутствующие во всех материалах, включая сверхлегированные, не могут быть причиной пика и излома графиков.
Широкодиапазонный фон рассеяния тоже не связан с фононами: в противном случае он должен был бы обрываться на высоких частотах.
Условия, при которых наблюдается острый пик рассеяния, хорошо согласуются с гипотезой о магнитном резонансе, но он отсутствует в сверхлегированных материалах, остающихся тем не менее сверхпроводящими.
Значит, сверхпроводимость не связана с магнитным резонансом.
Остается широкодиапазонный фон, который, по мнению Таймаска, должен возникать при любом процессе, вызывающем спаривание электронов.
Однако материаловеды из Аргонской национальной лаборатории полагают, что, хотя магнитный резонанс не принимает участия в образовании электронных пар, есть серьезные основания считать природу связующих сил магнитной.
Итак, поиск продолжается.
Интерес к теме высокотемпературной сверхпроводимости настолько высок, что за открытие первого соединения из класса высокотемпературных сверхпроводящих купратов La2-xBaxCuO4 швейцарскому физику К.Мюллеру и немецкому физику Г.Беднорцу в 1987 г была присуждена Нобелевская премия.
Наши ученые не отстают.
В 1993 г Е. Антипов, С. Путилин и другие российские ученые из МГУ открыли ряд ртутьсодержащих сверхпроводников состава HgBa2Can-1CunO2n+2+ d (n=1-6).
Эти соединения являются материалами с рекордно высокими значениями температуры перехода в сверхпроводящее состояние Tc, поэтому актуальной является проблема определения в решетках HgBaCaCuO зарядовых состояний атомов кислорода, которые и ответственны за явление высокотемпературной сверхпроводимости в этих керамиках, но не только.
Фаза HgBa2Ca2Cu3O8+d (Hg -1223) 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.
Таким образом, сверхпроводники достаточно быстро эволюционировали, пройдя путь от металлической ртути (4.2 К) к ртуть-содержащим ВТСП (164 К).
Автор: Грэхем Коллинз
