Открыт новый тип высокотемпературных сверхпроводников

Физикам удалось синтезировать новый тип сверхпроводников с общей химической формулой ReFeAsO (где Re обозначает какой-либо из редкоземельных металлов: Sm — самарий, Nd — неодим, Pr — празеодим, Ce — церий, La — лантан). Эти вещества обладают неожиданно высокой температурой перехода в сверхпроводящее состояние, достигающей 55 К. В состав почти всех открытых до этого высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) входил оксид меди. Полученный впервые широкий класс некупратных ВТСП вселяет надежду на то, что будет наконец найдено теоретическое объяснение явления высокотемпературной сверхпроводимости, а также открывает новые возможности на пути к дальнейшему повышению температуры перехода в сверхпроводящее состояние.

Сверхпроводимость — это явление полного отсутствия сопротивления при протекании электрического тока, а также идеальный диамагнетизм (то есть «выталкивание» магнитного поля из образца: магнитное поле не проникает вглубь материала).

Идеальный диамагнетизм сверхпроводника можно пояснить тем, что по поверхности образца начинает течь незатухающий ток, магнитное поле которого полностью компенсирует внешнее магнитное поле. Плотность незатухающего тока, экранирующего внешнее магнитное поле, быстро убывает при удалении от поверхности внутрь сверхпроводника. Соответственно, в этой области уменьшается внешнее магнитное поле от некоторого значения на поверхности до нуля в глубине. Описанное явление было открыто в 1933 году немецкими физиками Вальтером Мейснером и Робертом Оксенфельдом и носит название эффекта Мейснера–Оксенфельда. Принято считать состояние сверхпроводящим, если оно удовлетворяет двум требованиям: отсутствие сопротивления и выталкивание магнитного поля из образца (эффект Мейснера–Оксенфельда).

Вне всяких сомнений, главной задачей технологов — специалистов по «прикладной» сверхпроводимости является создание сверхпроводника с комнатной критической температурой (T_c). Разумеется, искать наобум такие материалы сложно, поэтому на помощь материаловедам приходят физики, которые своими моделями стараются указать направление поиска. Хотя, как показывает история, в случае со сверхпроводимостью, скорее, наблюдается обратный процесс — технологи находят ВТСП, теоретики строят модель. Тем не менее если бы теория высокотемпературной сверхпроводимости была построена, поиск веществ с комнатной T_c наверняка бы стал проще.

Первой теорией, удовлетворительно описывающей явление сверхпроводимости, была теория Бардина–Купера–Шриффера (теория БКШ). Это теория низкотемпературной сверхпроводимости. Суть ее в следующем: электроны в веществе, посредством взаимодействия с колебаниями кристаллической решетки материала (фононами), объединяются в пары, называемые куперовскими, и ведут себя как будто единый «организм» с огромными по атомным масштабам размерами. Вследствие этого электронная система куперовских пар «не замечает» препятствий при своем протекании через материал (то есть испытывает нулевое сопротивление).

Когда в 1986 году Йоханнес Беднорц и Карл Мюллер, сотрудники Цюрихского филиала корпорации IBM, обнаружили способность керамики на основе оксида меди, лантана и бария (La_2-xBa_xCuO₄) при 30 К переходить в сверхпроводящее состояние, это был первый этап на пути к высокотемпературной сверхпроводимости. С тех пор было открыто еще немало веществ, относящихся к ВТСП. Более того, с тех пор критическую температуру удалось повысить более чем в 5 раз (см. рис. 1), но построить теоретическую модель, хорошо описывающую наблюдаемые свойства ВТСП, пока что так и не удалось.

Попытки применить теорию БКШ к объяснению высокотемпературной сверхпроводимости не увенчались успехом; в настоящее время существует больше десятка разнообразнейших в своих подходах моделей, каждая из которых в отдельности дает некоторые правильные предсказания. Важно отметить, что, как видно из графика на рисунке 1, в состав всех открытых после La_2-xBa_xCuO₄ веществ с высокой T_c почти неизменно входит оксид меди (одно из исключений — упомянутый ниже диборид магния MgB₂) — большинство вышеупомянутых моделей высокотемпературной сверхпроводимости используют этот факт. Поэтому неудивительно, что появившиеся этой весной сообщения о целом классе ВТСП не на основе оксида меди, заинтересовали научную общественность, надеющуюся увидеть прогресс в проблеме «комнатной» сверхпроводимости.

До настоящего времени наиболее высокой температурой перехода (39 К) среди некупратных ВТСП обладал диборид магния MgB₂. Сверхпроводимость в нем была открыта в 2001 году и, как выяснилось, имеет свои интересные особенности: столь высокая критическая температура достигается за счет существования в нем двух (!) «сортов» куперовских пар, которые, взаимодействуя между собой, повышают критическую температуру.

Первое сообщение об открытии некупратного ВТСП под названием Iron-Based Layered Superconductor La[O_1-xF_x]FeAs (x = 0.05–0.12) with Tc = 26 K (индекс х обозначает в какой пропорции были заменены атомы кислорода атомами фтора — как говорят физики, степень допирования) поступило из Токийского технологического института, где группа ученых под руководством Хидео Хосоно (Hideo Hosono) синтезировала материал, не обладающий электрическим сопротивлением при температуре ниже 26 К.

Конечно, 26 К — это еще не 39. Однако это было только начало. В своей статье (еще в феврале) Хосоно предположил, что T_c можно увеличить, например, сжимая материал или заменяя лантан другим элементом. И действительно, некоторое время спустя стали появляться сообщения об открытии сверхпроводимости в других арсенид-железных соединениях. Вот названия статей в хронологическом порядке: Superconductivity at 36 K in Gadolinium-arsenide Oxides GdO_1-xF_xFeAs — наблюдалась сверхпроводимость в материале GdOFeAs с  = 36 К, Superconductivity at 43 K in Samarium-arsenide Oxides — сверхпроводимость в материале SmOFeAs c T_c = 43 К, Superconductivity at 52 K in iron-based F-doped layered quaternary compound Pr[O_1-xF_x]FeAs — отсутствие сопротивления при 52 К и ниже в допированном фтором соединении PrOFeAs. Что касается использования давления для повышения критической температуры, то тот же допированный фтором LaOFeAs, как было установлено в работе Superconductivity at 43 K in an iron-based layered compound LaO_1-xF_xFeAs, может при давлении 4 ГПа (в 40 000 раз больше атмосферного) увеличить T_c до 43 К.

И вот совсем недавно появилась статья Superconductivity at 55 K in iron-based F-doped layered quaternary compound Sm[O_1-xF_x]FeAs о наблюдении сверхпроводимости в Sm[O_0.9F_0.1]FeAs с рекордным значением T_c = 55 К (рис. 3).

Одновременно с открытием этих соединений встал вопрос о том, как в них образуется сверхпроводимость — то есть каким образом происходит возникновение куперовских пар, ответственных за сверхпроводимость вещества.

Выяснилось, что по своей кристаллической структуре ReFeAsO практически ничем не отличаются от купратных сверхпроводников — такое же чередование слоев, по которым и происходит распространение сверхпроводящего тока (см. рис. 3). Такая аналогия навела ученых на мысль, что, вероятно, природа образования сверхпроводимости у них такая же, как и в купратных ВТСП. Для проверки этой гипотезы были выполнены расчеты, которые показали, что, если куперовские пары образуются в «свежеиспеченных» ВТСП так, как это предсказывает теория БКШ, то критическая температура в них не должна превышать 1 К, что очевидно противоречит экспериментальным данным. Появлялись работы, в которых говорится о таких же механизмах образования сверхпроводимости, как в дибориде магния. Однако, как и в случае с купратными ВТСП, окончательной теории пока что тоже не создано.

Тем не менее недооценивать важность этих открытий нельзя. Вполне возможно, что новый вид арсенид-железных ВТСП поможет пролить свет на теоретическое объяснение высокотемпературной сверхпроводимости и укажет технологам путь к повышению критической температуры.

Похожие статьи: