Сверхпроводящие гибридные структуры23.11.2015 09:07

Физик Яков Фоминов о явлениях сверхтекучести и сверхпроводимости, эффекте Джозефсона и экспериментах в области топологической сверхпроводимости

Я буду говорить о сверхпроводящих гибридных системах, разделе современной физики, поэтому для начала скажу несколько общих слов о явлении сверхпроводимости как таковом. Это явление, которое было открыто довольно давно, в 1911 году, открыто было экспериментально, и было обнаружено, что некоторые металлы при достаточно низких температурах теряют электрическое сопротивление, то есть, как точно мы ни измеряем, оказывается, что сопротивление обращается в нуль, значит, ток течет без сопротивления, без диссипации. Некоторые металлы ведут себя так, другие сохраняют сопротивление вплоть до нулевой температуры. Таким образом, явление сверхпроводимости было открыто, и последовала теория, последовали теоретические исследования, но в течение достаточно долгого времени теория была на уровне феноменологическом, то есть теория могла объяснить какие-то наблюдаемые явления, сделав какие-то предположения, могла что-то предсказать, но не было ответа на основной вопрос: почему, собственно, сверхпроводимость возникает, почему она есть в одних веществах и почему ее нет в других? И к тому моменту, когда микроскопическая полная теория сверхпроводимости была создана, уже было открыто и понято явление сверхтекучести. Это явление довольно родственное, но тем не менее есть важные различия. Я два слова скажу также о сверхтекучести, потому что это важно в этом контексте.

Сверхтекучесть — это явление, которое было открыто в жидком гелии: оказывается, что жидкий гелий при достаточно низких температурах становится сверхтекучим, то есть это жидкость, которая может течь через узкие трубочки, через капилляры без трения. Если посмотреть на металл как на совокупность кристаллической решетки и электронной жидкости, которая может течь через эту кристаллическую решетку, то сверхпроводимость оказывается очень похожей на сверхтекучесть электронной жидкости. Но, однако же, для объяснения сверхтекучести очень важным является тот факт, что атомы гелия являются бозонами. Все частицы делятся на бозоны и фермионы в зависимости от того, целый у них спин или полуцелый. Так вот атомы гелия являются бозонами, и это значит, что для них возможно явление конденсации, то есть очень много, макроскопически много частиц гелия могут оказаться на одном и том же квантовом уровне. Возникает конденсат, и это приводит к явлению сверхтекучести. Теперь если мы обращаемся к электронам в металлах, то электроны — это фермионы, у них спин полуцелый, и их статистические свойства совершенно другие — имеется принцип Паули: два фермиона не могут занимать одно и то же квантовое состояние. Поэтому если бы можно было объяснить, как электроны испытывают бозе-эйнштейновскую конденсацию, то это было бы действительно похоже на сверхтекучесть, но на первый взгляд это совершенно другая система. Так вот ключевым моментом для объяснения сверхпроводимости являлось открытие так называемой куперовской неустойчивости. Это явление связано с тем, что если у нас в системе электронов имеется сколь угодно слабое притяжение между электронами, то они мгновенно меняют свое состояние, перестраивают его, разбиваясь на куперовские пары. Куперовские пары — это пары двух электронов, пара двух электронов — это уже бозонный объект, и вот пары электронов, то есть куперовские пары, могут испытывать явление конденсации. Таким образом образуется сверхпроводящий конденсат.

Следует отметить, что сверхпроводимость не сводится только к нулевому сопротивлению при низких температурах, это на самом деле явление гораздо более широкое, и оно включает в себя целый ряд проявлений: это и магнитные свойства (то есть то, как образец реагирует на внешнее магнитное поле), и термодинамические свойства (скажем, теплоемкость), и ряд других. Кристаллическая решетка, которая уже была упомянута, является тоже очень важным ингредиентом для образования сверхпроводимости: дело в том, что я уже упомянул притяжение между электронами, которое приводит к куперовской неустойчивости, но на первый взгляд это может показаться парадоксальным, потому что электроны имеют одинаковый заряд и между ними есть кулоновское отталкивание. Однако важно, что они находятся не в вакууме, а в кристаллической решетке и взаимодействуют с ней, то есть у нас один электрон взаимодействует с решеткой, другой электрон взаимодействует с решеткой, поэтому все это приводит к тому, что электроны взаимодействуют друг с другом через решетку, и такое взаимодействие приводит к притяжению. Дальше, в зависимости от подробностей конкретного вещества, это притяжение может либо пересилить кулоновское отталкивание, либо нет. Если притяжение за счет решетки пересиливает кулоновское отталкивание, вещество становится сверхпроводником, если не пересиливает, то оно остается металлом вплоть до самых низких температур. Это то, что касалось объемных сверхпроводников и явления сверхпроводимости как такового.

Теперь давайте перейдем ближе к нашей теме, к сверхпроводящим гибридным структурам. Это такие системы, в которых в контакт приведены два разных металла — один сверхпроводящий, другой несверхпроводящий. Самым простым примером несверхпроводящего металла является то, что обычно называют нормальным металлом — это такой металл, который отличается от сверхпроводника только тем, что у него не образуется сверхпроводящее состояние вплоть до самых низких температур. Больше никаких особенностей в нем нет. Если мы посмотрим на такой контакт, то где-то в глубине сверхпроводника есть обычное сверхпроводящее состояние, где-то в глубине нормального металла — обычное нормальное состояние, а вблизи границы происходит что-то интересное. Там происходит явление, которое называется сверхпроводящим эффектом близости. Связано это с тем, что куперовские пары из сверхпроводника могут перелетать через границу и оказываться в нормальном металле. В нормальном металле притяжения между электронами уже нет, поэтому куперовская пара начинает разваливаться, но на ее место может прийти другая, а кроме того, электроны из развалившейся куперовской пары могут вернуться обратно в сверхпроводник, где из них опять образуется куперовская пара. Таким образом возникает динамическое равновесие, и у нас вблизи границы в нормальной части системы наводится некоторая сверхпроводимость — это так называемая наведенная сверхпроводимость. Конечно, чем дальше мы отходим от границы, тем слабее эта сверхпроводимость, но тем не менее вблизи границы такое существует.

Это может представлять интерес как с фундаментальной точки зрения — и теоретически, и экспериментально, — так и с точки зрения различных приложений. Например, про такую систему можно думать как про систему, в которой сила сверхпроводимости некоторым образом уменьшена, то есть сверхпроводимость у нас разбавлена нормальным металлом. Это простейшая система с эффектом близости, простейшая сверхпроводящая гибридная система. Системы гораздо более интересные и богатые — это системы, когда у нас имеется контакт между сверхпроводником и ферромагнетиком.

Ферромагнетик — это вещество, которое тоже не является сверхпроводящим вплоть до самых низких температур, однако же в нем есть особенность: в нем есть намагниченность, и это связано с тем, что большинство спинов электронов смотрят в определенную сторону, то есть спинов вверх у нас больше, чем спинов вниз, поэтому есть такой магнитный порядок.

Обычная сверхпроводимость, которую я имел в виду в начале, — это образование куперовских пар, в которых спины электронов направлены в разные стороны. Это так называемое синглетное спаривание, суммарный спин куперовской пары — нуль. Ферромагнетизм же хочет, чтобы все спины электронов были по возможности ориентированы в одну сторону, то есть явно такой ферромагнетизм не дружит со сверхпроводимостью, и поэтому сделать вещество, которое в объеме являлось бы одновременно сверхпроводящим и ферромагнитным, очень трудно. Но если мы источники сверхпроводимости и ферромагнетизма пространственно разведем, как в гибридной структуре, тогда вблизи границы возможно какое-то их одновременное существование.

Теперь ясно, что куперовская пара, когда она попадает в ферромагнетик, начинает каким-то образом довольно сильно разрушаться за счет ферромагнетизма, но, пока этот ферромагнетизм не разрушил куперовскую пару окончательно, он делает из нее некоторое особенное сверхпроводящее состояние. Оно особенное с нескольких точек зрения. Во-первых, оно особенное с точки зрения спиновой структуры: синглетная куперовская пара, попадая в ферромагнетик, может превратиться в триплетную, то есть в куперовскую пару, у которой оба спина смотрят в одну сторону и суммарный спин у которой — единица. Это явление интересное, у него есть ряд интересных наблюдаемых следствий, но само по себе явление триплетной сверхпроводимости не новость. В принципе бывает триплетная сверхпроводимость в объемных веществах, очень специфических, — это несколько особенных соединений, но тем не менее это бывает в объеме.

Что еще интересно с точки зрения наведенной в ферромагнетик сверхпроводимости, так это магнитные свойства. И тут интерес состоит в том, что можно создать такое сверхпроводящее состояние, которого не бывает в объеме вообще. Дело в том, что, как я уже упоминал, сверхпроводимость характеризуется не только нулевым сопротивлением, но также и типом магнитного отклика на внешнее поле. Обычный сверхпроводник реагирует на внешнее магнитное поле диамагнитным образом: в нем возникают токи, которые создают намагниченность, противоположно направленную приложенному полю, то есть они хотят вытолкнуть из себя магнитное поле. А в ферромагнетике наводится такое сверхпроводящее состояние, в котором есть как обычный диамагнитный вклад, так и вклад противоположного знака, так называемый парамагнитный, и такое состояние в объеме реализовать, по-видимому, вообще невозможно, потому что просто из энергетических соображений оно будет неустойчиво. А вот в гибридной структуре такое возможно. Опять же, это приводит к ряду интересных наблюдаемых следствий, которые исследуются как теоретически, так и экспериментально.

Какие наблюдаемые следствия могут быть у эффекта близости в системах сверхпроводников и ферромагнетиков? Тут есть довольно много всего, давайте я выберу пару моментов. Первый — это системы, которые называются сверхпроводящими спиновыми клапанами. Речь идет о пленке сверхпроводника, к которой приделаны два ферромагнетика, и эти два ферромагнетика имеют намагниченности, которые мы можем вращать друг относительно друга. Так вот оказывается, что сила сверхпроводимости в этой системе, а более конкретно — критическая температура, ниже которой система становится сверхпроводящей, зависит от взаимной ориентации ферромагнетиков, и, вращая ферромагнетики, мы можем менять критическую температуру системы. Это может быть полезно в различных элементах, скажем, сверхпроводящей логики, потому что таким выключателем мы можем включать и выключать сверхпроводимость в системе.

Теперь второе направление, в котором может найтись применение гибридным сверхпроводящим структурам, — это, например, эффект Джозефсона. Эффект Джозефсона вообще-то существует и просто для обычных объемных сверхпроводников и заключается в том, что если мы возьмем два разных сверхпроводника, положим между ними какую-то прослойку, скажем, изолятора, то тем не менее через такую прослойку изолятора возможен сверхпроводящий бездиссипативный ток. Это эффект Джозефсона, им можно управлять с помощью магнитных полей, например, и у него есть очень большое количество применений, сейчас уже это используется. Теперь, если мы в качестве прослойки возьмем не диэлектрик, а слой ферромагнетика, то тогда оказывается, что джозефсоновский ток (ток, который течет в такой системе) при некоторых условиях может поменять знак, то есть за счет слоя ферромагнетика может возникнуть инверсия джозефсоновского тока. И такие элементы, джозефсоновские инверторы, могут использоваться опять же в элементах сверхпроводящей логики — как сверхпроводящей логики классической, так и сверхпроводящей логики квантовой, то есть в кубитах, квантовых битах, на основе сверхпроводящих систем.

И наконец, я хочу упомянуть некоторый класс задач, который возник где-то в середине 2000-х годов, и он связан с явлением, которое называется топологическая сверхпроводимость. Ее можно реализовать по-разному, в частности, например, в гибридных системах, где имеется сверхпроводник, ферромагнетик, но надо добавить еще один ингредиент — это спин-орбитальное взаимодействие. При определенных условиях в таких системах может возникнуть явление топологической сверхпроводимости. Его особенностью являются интересные поверхностные состояния, то есть состояния квазичастиц вблизи границ. Эти состояния могут быть названы майорановскими фермионами. Дело в том, что такие майорановские фермионы обсуждались в контексте физики элементарных частиц, и оказывается, что в квазичастицах, которые существуют в твердотельных системах, майорановские фермионы могут быть реализованы в системах, которые я упомянул, — в гибридных сверхпроводящих системах.

В заключение можно сказать, что эта область, эти несколько направлений, которые я отметил, сейчас активно развиваются, и развиваются как экспериментально, так и теоретически, то есть эксперимент и теория здесь идут рука об руку, и иногда оказывается впереди теория, иногда эксперимент.

Яков Фоминов