|
Сверхпроводимость характеризуется отсутствием электрического сопротивления и идеальным диамагнетизмом (абсолютным непроникновением магнитного поля внутрь материала). Она возникает у веществ, которые имеют температуру ниже определенного, характерного только для них значения. Такая температура называется критической (Tc).
Хотя сверхпроводимость была открыта голландским ученым Хейке Камерлинг-Оннесом еще в начале прошлого века (в 1911 году), объяснено это явление было лишь спустя почти 50 лет (в 1957 году). Создателями теории сверхпроводимости принято считать Джона Бардина, Леона Купера и Джона Шриффера. Они установили, что вещество становится сверхпроводящим благодаря объединению электронов проводимости в пары (именуемые куперовскими) и их дальнейшей синхронизации. Иными словами, все электроны ведут себя как единое целое (ни один из электронов не стремится в этом состоянии показать свою «индивидуальность») и благодаря этому обтекают без какого-либо сопротивления кристаллическую решетку вещества.
Появление куперовских пар обусловлено сложным взаимодействием ионов кристаллической решетки и электронов. Электроны обмениваются безмассовыми «почти» частицами (квазичастицами) фононами — квантами колебательного движения ионов. «Почти» — потому что фононы не могут существовать в свободном состоянии, их жизнь ограничена кристаллической решеткой. В результате обмена квазичастицами между электронами появляется притяжение, что в свою очередь приводит к образованию куперовских пар. Описанный процесс формирования куперовских пар получил название электрон-фононного взаимодействия (механизма). Именно этот механизм и составляет основу теории сверхпроводимости, или теории БКШ, названной так по первым буквам фамилий ее авторов.
Надо сказать, что теория БКШ, как и любая другая физическая теория, не возникла спонтанным образом. Она стала итогом последовательных экспериментальных и теоретических исследований различных ученых. Среди этого многообразия особо стоит выделить публикации английского физика Герберта Фрёлиха, который в 1950 году первым указал на существенную роль влияния ионов на электроны в возникновении сверхпроводимости. Из своей идеи ученый смог вывести заключение о том, что критическая температура в семействе изотопов данного сверхпроводника должна быть обратно пропорциональна квадратному корню массы иона М (молекулярной массы), то есть Tc ~ M–? (значок «~» обозначает пропорциональность), где ? = 0,5. Проще говоря, чем больше молекулярная масса сверхпроводящего вещества, тем меньше его критическая температура. Такая зависимость получила название «изотопический эффект», или «изотоп-эффект». В том же году Эммануэль Максвелл обнаружил изотопический эффект в изотопах ртути, что явилось веским доказательством правильности гипотезы Фрёлиха. Позже изотоп-эффект был открыт и у других сверхпроводников (см. таблицу 1).
Таблица 1. Изотопический эффект в различных сверхпроводниках
|
Сверхпроводник |
? |
Механизм сверхпроводимости |
|
Hg (ртуть) |
0,5±0,03 |
фононный |
|
Tl (таллий) |
0,5±0,1 |
фононный |
|
Cd (кадмий) |
0,5±0,1 |
фононный |
|
Mo (молибден) |
0,33±0,05 |
фононный |
|
La0,89Sr0,11CuO4 (замена 16О на 18О) |
?0,07 |
? |
|
YBa2Cu3O7 (замена 16О на 18О) |
?0,02 |
? |
*Знак вопроса означает, что ученые не знают истинной причины формирования куперовских пар и, соответственно, возникновения сверхпроводимости.
Отметим, что в рассуждениях Фрёлиха речь шла о моноатомных сверхпроводниках, то есть материалах, образованных из одного химического элемента.
Когда в 1986-87 годах была обнаружена высокотемпературная сверхпроводимость в купратных (медьсодержащих) соединениях La0,89Sr0,11CuO4 (Tc = 40 К) и YBa2Cu3O7 (Tc = 92 К) и др., ученым стало ясно, что ставшая уже классической теория БКШ не в состоянии ее объяснить. БКШ-теория не допускает существования столь высокой критической температуры в веществах с такой силой электрон-фононного взаимодействия. На то, что не фононы заставляют объединяться электроны в высокотемпературных сверхпроводниках (ВТСП), указывало и отсутствие у этих ВТСП изотоп-эффекта по кислороду — элементу, который наряду с медью присутствует во всех открытых впоследствии сверхпроводниках с высокой Tc. Замещение традиционного кислорода 16О другими его изотопами чрезвычайно слабо изменяло критическую температуру (см. таблицу 1).
С тех пор изотоп-эффект стал рассматриваться как своеобразный тест на причастность фононов к появлению сверхпроводимости. Если ? равно или близко к 0,5, то в данном материале куперовские пары (сверхпроводимость) возникают за счет электрон-фононного притяжения. В противном случае сверхпроводимость вызвана иным механизмом.
Чтобы выявить наличие или отсутствие изотоп-эффекта в сверхпроводнике, надо определить показатель степени ? в зависимости Tc ~ M–?. Рассчитать ? из экспериментальных данных не сложно. Так как Tc ~ M–?, то знак равенства между критической температурой и массой иона возникнет, если переписать эту зависимость в таком виде: Tc = const·M–? (const — это постоянная величина, константа, которая от Tc и M не зависит). Продифференцировав Tc по M и вспомнив определение производной функции, получим формулу:
,
где ?M и ?T соответствуют разности масс ионов и разности критических температур, возникающей при замещении иона его изотопом. Из этой формулы, опираясь на экспериментальные данные, ученые и определяют ?, то есть наличие или отсутствие изотопического эффекта.
Конечно, изотоп-эффект не дает прямого ответа на главный вопрос высокотемпературной сверхпроводимости: что заставляет электроны в ВТСП объединяться в пары? Однако он играет важную роль в распутывании этой загадки, в частности позволяет определить степень причастности фононов к возникновению куперовских пар.
С открытием в 2008 году железосодержащих ВТСП (см. новости Открыт новый тип высокотемпературных сверхпроводников, «Элементы», 12.05.2008 и Найдено новое семейство сверхпроводников, содержащих железо, «Элементы», 31.10.2008) поиски причин возникновения высокотемпературной сверхпроводимости возобновились с новой силой. И, разумеется, в первую очередь ученых заинтересовала величина вклада электрон-фононного взаимодействия в сверхпроводимость «железных» сверхпроводников. Будет ли этот вклад отличен от нуля или он так же пренебрежительно мал, как и в купратных ВТСП? Один из возможных способов решения данной проблемы связан с обнаружением (или необнаружением) изотопического эффекта по железу — веществу, объединяющие «железные» сверхпроводники в один класс.
Впервые изотоп-эффект в железосодержащих ВТСП, а точнее, в поликристаллических соединениях SmFeAsO1–xFx (х = 0,15) с Tc = 40 К и Ba1–xKxFe2As2 (х = 0,4) с Tc = 37 К был открыт группой китайских ученых в 2009 году. Заменяя атомы природного (наиболее распространенного) железа 56Fe изотопом 54Fe, исследователи выяснили, что показатель степени ? находится недалеко от 0,5 и приблизительно равен 0,35. Из результатов эксперимента ученые заключили, что частично (частично — потому что ? равно не 0,5, а чуть меньше – 0,35) куперовские пары формируются под действием электрон-фононного взаимодействия, но очевидно, что количественно этот процесс классической теорией БКШ не описать.
История с изотопическим эффектом в железосодержащих сверхпроводниках получила свое продолжение в недавно опубликованной в журнале Physical Review Letters статье японских ученых Inverse Iron Isotope Effect on the Transition Temperature of the (Ba,K)Fe2As2 Superconductor (доступной также здесь). Они сосредоточили свое внимание на изотоп-эффекте по железу в поликристаллах Ba1–xKxFe2As2 — сверхпроводника, в котором тот же эффект по железу исследовали их китайские коллеги.
Чтобы достичь минимальной погрешности в итоговых результатах, авторы статьи приготовили семь наборов из сверхпроводящего Ba1–xKxFe2As2 по два образца в каждом. Условия их производства были совершенно идентичными. Разница заключалась лишь в химическом составе, а точнее, в использовании при изготовлении сверхпроводника наряду с обычным железом (56Fe, в таблице оно обозначено как nFe) двух его других стабильных изотопов: 54Fe и 57Fe. Например, набор S2, как видно из таблицы, представляет собой два одинаково приготовленных поликристалла Ba1–xKxFe2As2, в состав которых входят изотопы железа-54 и 57 соответственно.
Таблица 2. Критическая температура, сдвиг критической температуры и показатель степени в изотопическом эффекте по железу в зависимости от изотопа Fe, входящего в состав сверхпроводящих поликристаллов
Из полученных данных (см. таблицу 2) ученые рассчитали показатель степени ? и обнаружили, что, во-первых, он отличается от нуля и в среднем равен –0,18. Во-вторых, и это самое необычное, он имеет отрицательный знак, то есть чем тяжелее ион железа, входящий в сверхпроводник, тем выше критическая температура. В подавляющем большинстве сверхпроводники, если и обладают изотоп-эффектом, то для них ? — положительное число.
Возникающее противоречие с результатами предыдущей работы по изотоп-эффекту (см. выше) авторы статьи объясняют несовершенством изготовления поликристаллов
Какие выводы делают из своей работы японские экспериментаторы? Ненулевое значение ? указывает на то, что фононы нельзя сбрасывать со счетов в теории сверхпроводимости «железных» ВТСП. Однако отрицательная величина ? говорит о том, что механизм электрон-фононного взаимодействия, вероятно, более сложный, чем описываемый в теории БКШ. На основании того, что ? в среднем равно –0,18, а не 0,5, авторы статьи делают следующее предположение. По их мнению, в железосодержащих ВТСП реализуется экзотический механизм объединения куперовских пар: смесь «более сложного» электрон-фононного и обменного взаимодействий. В одной из прошлых новостей «Элементы» уже писали вероятном обменном механизме формирования пар электронов. Поэтому лишь напомним, что обменное взаимодействие частиц представляет собой квантовый (связанный с принципом запрета Паули) аналог электростатического взаимодействия.
Таким образом, если теоретикам удастся объяснить такой аномальный изотоп-эффект в «железных» ВТСП в рамках высказанной авторами обсуждаемой статьи гипотезы о смешанном взаимодействии электронов, то не исключено, что природа высокотемпературной сверхпроводимости может проясниться не только для данного класса сверхпроводников.
