Новую концепцию, объясняющую природу сверхпроводимости соединений на основе железа, разработал старший научный сотрудник научно-образовательного центра «Наноматериалы и нанотехнологии» Уральского федерального университета (УрФУ, Екатеринбург) и Лаборатории прецизионных сплавов и интерметаллидов Института физики металлов Уральского отделения РАН Евгений Таланцев.
Статья, описывающая концепцию, опубликована в журнале Results in Physics.
Возникновение сверхпроводимости связано с образованием так называемых «куперовских пар», когда электрический ток переносится квазичастицей, состоящей из двух спаренных электронов (при переносе тока единичным электроном электрическое сопротивление наблюдается всегда). Куперовские пары (термин образован от имени открывшего данное явление американского физика Леона Купера) ведут себя когерентно, то есть взаимосвязано, как единая квантовая система.
То, насколько интенсивно взаимодействуют электроны в куперовской паре, количественно выражается показателем силы связывающей их энергии, которая называется энергетической щелью.
До сих пор наиболее согласованной концепцией, объясняющей феномен энергетической щели в сверхпроводниках на основе железа, считалась концепция многозонной симметрии s-волн, то есть симметрии направлений взаимодействия двух зарядов в куперовской паре, предложенная в 2009 году. В данном случае «s» означает сферичность: согласно представлениям создателей концепции s-волн две (в некоторых случаях три) сферические щели вложены друг в друга наподобие матрешек и взаимодействуют между собой, при этом по-разному реагируя на внешние воздействия давлением и температурой.
Концепция s-волн была применена для объяснения сверхпроводимости во всех 13 типах сверхпроводников на основе железа. В то же время проблема в том, что, во-первых, данная концепция была выдвинута, когда физика еще не обладала возможностями для проведения высокоточных экспериментов и получения качественных образцов материалов.
Во-вторых, концепция многозонной симметрии s-волн содержит больше десятка параметров, что делает анализ экспериментальных данных или сложными, или просто невозможными.
«Мною разработана альтернативная концепция однозонной симметрии р-волны, которая схематически представляет собой одну сферу, напоминающую воздушный шар, несколько раз перетянутый ниткой. Выпуклости — только снаружи сферы, внутри нее — пусто и гладко. Так, с моей точки зрения, выглядит энергетическая щель, но не в реальном пространстве, а в пространстве квазиимпульсов — физических векторных величин, характеризующих движение квазичастиц по осям X, Y, Z. Пространство энергетической щели дает возможность существования куперовской пары при сохранении ее когерентности, чем больше пространство — тем „жизнеспособнее“ куперовская пара, и наоборот: в местах „перетяжек“, где пространство энергетической щели суживается до нуля, куперовская пара существовать не может. Наличие таких мест отличает концепцию однозонной симметрии р-волны от концепции многозонной симметрии s-волн, — рассказывает Евгений Таланцев. — Концепция однозонной симметрии р-волны обходится всего тремя-четырьмя параметрами, это величина энергетической щели, величина прыжка теплопроводности при сверхпроводящем переходе, температура перехода и либо Лондоновская глубина проникновения, либо длина когерентности, в зависимости от эксперимента».
Минимальное количество параметров — основное преимущество концепции однозонной симметрии р-волны, что делает анализ экспериментальных данных наиболее достоверным.
Статья, опубликованная в Results in Physics, развивает публикацию Евгения Таланцева в журнале Scientific Reports (издательство Nature Research), которая по итогам 2019 года вошла в сотню наиболее востребованных статей по физике. Если статья 2019 года описывает концепцию р-волны применимо к анализу экспериментов со сверхпроводниками на основе железа по критическим токам, то вторая статья рассказывает об анализе экспериментов в другой измерительной методике — температурной зависимости верхнего критического поля.
«Верхним критическим полем называется максимальное магнитное поле, в котором сохраняется сверхпроводимость. Если величина магнитного поля выше — сверхпроводимость полностью разрушается. Верхнее магнитное поле описывается длиной когерентности — наномасштабной величиной», — поясняет Евгений Таланцев.
Какая из концепций — s-волны или р-волны — наиболее точно описывает феномен энергетической щели в сверхпроводниках на основе соединений железа, предстоит проверить в последующих экспериментах.
Справка
С открытия в начале XX века сверхпроводимости — способности некоторых материалов проводить электрический ток без сопротивления — и на протяжении почти ста лет считалось, что железо как ферромагнетик (вещество, при определенной температуре, ниже точки Кюри, обладающее намагниченностью без приложения внешнего магнитного поля) несовместимо со сверхпроводимостью, так как сверхпроводники, напротив, являются диамагнетиками, то есть при попытке намагничивания генерируют магнитное поле противоположного направления относительно приложенного внешнего магнитного поля. В экспериментах «классические» сверхпроводники даже при небольшой примеси ферромагнитного железа полностью теряют сверхпроводящие свойства.
- Однако в 2006 году группа японских ученых под руководством физика Хидео Хосоно получила сверхпроводник на основе железа при температуре, близкой к температурам жидкого гелия (закипает при температуре 4,2 кельвина, −268,9 ℃). Через два года та же группа добилась сверхпроводимости в соединениях железа при температуре кипения жидкого водорода (20,28 кельвинов, −252,87 ℃). В научном мире началась и развивается конкуренция в поисках соединений железа, переходящих в состояние сверхпроводимости при как можно более высоких температурах. Так, группа Хидео Хосоно, исследовав в общей сложности более 5 тыс. соединений, обнаружила сверхпроводимость лишь у двух десятков из них.
- В 2015 году научный коллектив под руководством Михаила Еремеца добился сверхпроводимости в сжатом сероводороде при температуре −72 ℃. В 2018 году две группы ученых — того же Михаила Еремеца, а также Маддури Сомаязулу — с интервалом в один день сообщили о достижении температуры перехода −25 ℃, правда, не в соединениях железа, а у супергидрида лантана (LaH10), причем в условиях колоссального давления — 2 млн атмосфер. 14 октября 2020 года группа под руководством Ранга Диаса сообщила о сверхпроводимости с критической температурой +15 ℃ в соединении углерод-сера-водород, которое было сжато при давлении свыше 2 млн атмосфер.
УрФУ — один из ведущих университетов России, участник проекта 5-100, расположен в Екатеринбурге — столице Всемирных университетских игр 2023 года. Вуз выступает инициатором создания и выполняет функции проектного офиса Уральского межрегионального научно-образовательного центра мирового уровня (НОЦ), который призван решить задачи национального проекта «Наука».
