Сверхпроводимость в купратах и соединениях железа
Физик Владимир Пудалов о сверхпроводниках на основе железа, создании новых материалов и сверхпроводимости при комнатной температуре
Высокотемпературными сверхпроводниками по традиции принято называть все то, что имеет критическую температуру больше 35–40 К. Так исторически сложилось, четких объяснений этому нет. Рекорд критической температуры долгое время принадлежал Nb3Ge — 23 К. Он держался довольно долго, вплоть до открытия действительно высокотемпературных сверхпроводников. Наиболее распространенный — это YBaCuO, имеющий критическую температуру 93 К, — это тот сверхпроводник, который наиболее широко используется вокруг нас в различных областях. Надо сказать, что другие представители купратов, которые имеют более высокую температуру, казалось бы, должны еще лучше работать, но они оказались нетехнологичны или токсичны — в общем, ничего хорошего с ними не удается получить. Нужда в высокотемпературных сверхпроводниках продолжает оставаться, и поэтому исследователи продолжают синтезировать все новые и новые материалы.
При этом те, кто создает новые материалы, движутся по нескольким различным направлениям. Один способ, традиционный, — это так называемый твердофазный синтез: вы при высокой температуре (иногда при высоком давлении) смешиваете какие-то прекурсоры, проводите реакцию — получается соединение. Некоторые руководствуются при этом какими-то химическими, физическими соображениями. Особо точных теоретических предсказаний практически нет. Это один из путей.
Другой путь — послойная укладка атомов с помощью дорогостоящих методов молекулярно-пучковой эпитаксии, когда в высоком вакууме наносятся монослои одних атомов, потом открывается заслонка, и начинают укладываться атомы другого типа. Так можно создавать искусственные материалы, которых в природе не существует.
Казалось бы, самый простой физико-химический способ, без всякой руководящей идеи. В 2008 году произошло знаменательное событие: на первом пути был достигнут успех в лаборатории Хасона в Японии — они синтезировали сверхпроводники на основе железа. Железо в их сверхпроводниках состояло в соединении с мышьяком, и это называется оксипниктид. Там присутствует кислород, как правило. В общем, соединение на основе железа-мышьяка. Открытие этого соединения было неожиданным для физиков, во-первых, потому, что никто не ожидал, что в железе может осуществляться сверхпроводимость. Как оказалось, именно сверхпроводимость осуществляется по тем электронам, которые поставляются железом. Во-вторых, это подтвердило давние теоретические предсказания, что сверхпроводимость при высоких температурах — это более широкое явление и что оксиды купратов — это не исключительные материалы, а надо искать широко, и на этом пути, возможно, придем к успеху. Наконец, в-третьих, оказалось, что с точки зрения физики в этих материалах сверхпроводимость более интересная, более сложная. Дело в том, что обычно в металле электроны в пространстве импульсов движутся, занимают одну группу и заполняют все состояния вплоть до какой-то граничной энергии, граничного импульса. Это называется поверхность Ферми. Это нечто вроде сферы — конечно, эта сфера имеет более сложный характер, она не сфера, может быть, а более сложная, но, по крайней мере, она одна. В этих соединениях на основе железа существует как минимум две группы, несколько групп носителей, поэтому там сверхпроводимость осуществляется в виде двух конденсатов. Две независимые сверхпроводящие жидкости, каждая из них описывает свои фазы, но эти жидкости взаимодействуют между собой, и в общем они синхронизированы. Такой материал интересен для физических исследований.
Другая особенность состоит в том, что эти материалы испытывают переход в сверхпроводящее состояние не так далеко от температуры, при которой у решетки происходит кристаллический переход из одной фазы в другую, и происходит магнитный переход в родительских соединениях, в которых нет допирующих элементов. Это наводит на мысль о том, что, если вы находитесь по температуре недалеко от магнитного фазового перехода, значит, флуктуации магнитных моментов могут быть сильны, и это действительно так. Это экспериментально выяснено, что действительно в этих соединениях имеется огромная магнитоструктурная связь. Даже размер решетки сильно зависит от того, насколько намагничены или не намагничены атомы железа, входящие в это соединение. Магнитоструктурная связь немедленно навела физиков на мысль о том, что, возможно, тем бозонным клеем, который склеивает электроны в пары, —, а это должны быть именно бозоны — являются флуктуации спинов, так называемые магноны. Это хорошо, потому что такой клей более прочный, более энергичный, имеет бо́льшую энергию, значит, потенциально в этом соединении может достигать более высоких температур, если это так.
Сравнивая между собой сверхпроводники двух последних классов — купратные и железные сверхпроводники, — можно увидеть ряд сходных свойств и различий. Схожесть состоит в том, что и те и другие слоистые. Это наводит на мысль о том, что сверхпроводимость реализуется в квазидвумерных слоях при движении электронов в плоскости. Но различия состоят в том, что в купратных соединениях, конечно, нет никаких магнитных элементов, а вот в железных имеется железо. С другой стороны, в купратных соединениях сверхпроводимость возникает при переходе из фазы плохого металла, почти диэлектрика, в сверхпроводник, а в железных соединениях сверхпроводимость наступает при охлаждении, как переход из фазы среднего качества металла в сверхпроводник.
В то время как купраты имеют рекордные критические значения температуры, в железных сверхпроводниках эти критические значения не так высоки: наивысшее значение — это 56 К. Наибольшая критическая температура достигается у соединения типа GdFeAsO или SmFeAsO — она всего 56 К и формально почти в два раза ниже, чем у купратных, но критические магнитные поля у них необычайно высоки — они достигают 200 Тл. Это происходит благодаря тому, что все эти сверхпроводники — материалы второго рода, как те материалы, которые открыл Лев Шубников, изучая грязные сверхпроводники, сплавы в Лейдене. Магнитное поле в них проникает, но проникает оно в виде вихрей, и вы этому не можете препятствовать, но дальше для практического применения надо эти вихри как-то зафиксировать, чтобы они не двигались, потому что при движении вихрей выделяется тепло, происходит разрушение сверхпроводника, и это ограничивает их критический ток. Если взять сверхпроводники на основе железа, то в них имеется какой-то механизм очень сильного внутреннего пиннинга, закрепления этих вихрей. Благодаря этому критический ток в магнитном поле, начиная с поля примерно в 10 Тл, у них выше, чем у купратных сверхпроводников, поэтому они перспективны для практического применения в технике высоких магнитных полей.
Другое любопытное полезное свойство этих железных проводников состоит в том, что они почти изотропны. Купратные сверхпроводники резко анизотропны, поэтому технология изготовления токонесущих элементов (так в технике говорят — лент) очень сложная. Их нельзя изготовить в простом виде, в виде порошка в трубе: засыпали порошок в трубе, сжали, протянули, и получился провод, — ничего не получается, потому что надо ориентировать зерна определенным образом. А железные сверхпроводники как раз наоборот, так же как и MgB2. MgB2 и железные сверхпроводники в этом смысле имеют большое преимущество, и у них имеется будущее, потому что из них можно делать дешевые провода. В частности, если Большой адронный коллайдер проектировался бы сейчас, его бы следовало наматывать на основе MgB2 как самого дешевого сверхпроводника.
В магнитных полях железные сверхпроводники имеют преимущество. Любопытно, что Беднорц и Мюллер, когда открывали свою высокотемпературную сверхпроводимость в купратах, руководствовались химическими соображениями, предсказаниями, но на совершенно другую тему. Они искали признаки ян-теллеровской неустойчивости, которая могла бы способствовать сверхпроводимости, но этой неустойчивости нет. И вообще уже прошло 26–27 лет, 2014 год, и такой микроскопической единой теории сверхпроводимости, которую бы все признали, нет. Оказалось, явление это очень сложное. Тут есть много причин тому, что нет теории: во-первых, это сложное явление, во-вторых, как известно, каждый теоретик примеряет эту сверхпроводимость, эту «золотую туфельку на свою ножку», и она не очень подходит ни под одну, ни под другую теорию. Возможно, нужна целая совокупность разных теорий для объяснения сверхпроводимости.
Суть состоит в том, что до сих пор неизвестен тот клей, который связывает электроны в пары в этих сверхпроводниках. Один тип клея, по-видимому, недостаточен. Возможно, что все типы клея — и фононы, то есть колебания решетки, и магноны, то есть колебания в спиновой системе, и флуктуации орбитального порядка — работают в параллель, но на разных временах, на разных энергиях. Это времена от фемтосекунды до пикосекунды. Все эти взаимодействия участвуют и помогают сверхпроводимости реализоваться.
Конечно, построить теорию такого сложнейшего явления очень сложно. В связи с открытием сверхпроводимости в материалах на основе железа полезно вспомнить Бернда Маттиаса, который был эмпириком, физиком, первооткрывателем номер один различных сверхпроводящих материалов. Он открыл великое множество, систематизировал их, выработал целый ряд эмпирических правил, которыми рекомендовал руководствоваться в поиске новых материалов. Одно из них звучит так: «Держись подальше от железа». Вот вам пример того, как эмпирические правила работают.
Такой физико-химический способ соединения разных элементов и проведения реакций синтеза при высоких температурах — это, конечно, далеко не единственный способ. Сейчас физики идут более современными путями. Правда, и техника более дорогостоящая. Это в сверхвысоком вакууме послойное атомное нанесение того, что вы хотите, — вначале одного слоя, потом другого и так далее. Таким путем создаются материалы, которых в природе не существует. Успех был достигнут где-то в 2007 году в лаборатории Божовича в Брукхейвене. На интерфейсе, на границе между LaAlO3 и SrTiO3 — двух совершенно непроводящих материалов — они получили сверхпроводник с критической температурой 0,3 К. Это низкая температура, но это просто доказывало принципиальную возможность этого способа. Далее они синтезировали висмутовые материалы 1, 2, 7, 8, кажется, — так называемая кристаллическая структура, которая имела критическую температуру 70 К, и в природе в объемном виде его невозможно получить.
Наконец, если объемный сверхпроводник на основе железа — простейший сверхпроводник ферроселен, который имеет критическую температуру 17 К, — нанести в виде монослоя на LaSrTiO3 или на подложку SrTiO3, то в нем получится критическая температура 70 К. Это колоссальное увеличение температуры. Это эффект интерфейса. Долгое время думали, что это эффект напряжения монослоя, но оказалось, что это эффект просто интерфейса, в котором движутся электроны.
Но далее на пути достижения высоких температур есть замечательные предсказания по поводу сверхпроводимости металлического водорода, который, если вы единожды его получите, подняв давление выше 2 мегабар, должен остаться стабильным и который будет сверхпроводящим. Конечно, теоретики мечтают о сверхпроводимости в нейтронных звездах, но более земной пример — это гидриды. Поскольку они ближе к водороду, их долгое время пытаются заставить сверхпроводить, и на этом пути в декабре 2014 года достигнут замечательный успех: под давлением 1,7 мегабара гидрид серы демонстрирует сверхпроводимость вплоть до температуры 180 К, и, возможно, признаки существуют вплоть до 190 К. Это показывает, что имеется много путей для продвижения к комнатнотемпературной сверхпроводимости. Если 40 лет назад над этим люди посмеивались и не очень верили в предсказания Гинзбурга, в работы его группы, то теперь довольно часто созываются конференции под названием «Пути достижения сверхпроводимости при комнатных температурах».
Владимир Пудалов
Полный текст статьи читайте на Postnauka.ru
