Как вещество переходит в состояние сверхпроводимости

В 1957-м году американские физики Бардин, Купер и Шриффер объяснили таинственное свойство некоторых материалов полностью терять электросопротивление при низких температурах. В созданной ими теории БКШ свободные электроны, взаимодействуя с кристаллической решеткой, начинали притягиваться друг к другу и связываться в так называемые куперовские пары, способные к движению по кристаллу без рассеяния, а тем самым, и без потерь энергии. Агентом притяжения здесь были фононы (квазичастицы, представляющие собой волновые колебания решетки, распространяющиеся наподобие реальных частиц), которыми электроны при этом обменивались. Теория БКШ предопределила прогресс в развитии сверхпроводимости на многие годы, но, по утверждению одного из российских соавторов статьи — профессора МГУ Александра Васильева, заведующего кафедрой физики низких температур и сверхпроводимости — на сегодня учета только фононного механизма спаривания недостаточно.

Исследователи стали находить и предсказывать другие механизмы образования куперовских пар, магнонные, экситонные и так далее, рассказывает Васильев. Потом стало ясно, что все эти механизмы не отвергают друг друга, а наоборот, работают вместе, что чрезвычайно усложняет задачу анализа, и без того непростую. Работа важна тем, что эту задачу она заметно упрощает, указывая, с чего в железных сверхпроводниках начинается сотворение сверхпроводимости и через какую цепочку процессов это приводит в конечном счете к соединению электронов в куперовские пары.

Ученые решили экспериментально проверить оспариваемую многими гипотезу, по которой все начинается с так называемых спиновых флуктуаций — дрожания спинов электронной подсистемы. Такие возбуждения искажают решетку, что заставляет спины дрожать еще более согласованно, выстраиваясь в цепочки (страйпы) вдоль какого-то из направлений в кристалле. Это, в свою очередь, вызывает нематичность, которую следует понимать как самоорганизованное электронное состояние, нарушающее вращательную симметрию решетки. И в этом повсеместном дрожании спинов, решетки и распределения электронов в пространстве рождаются куперовские пары, способные мчаться сквозь кристаллическую решетку, как бы не замечая ее присутствия.

В качестве исследуемого материала был выбран селенид железа — самое простое, всего лишь двухкомпонентное, сверхпроводящее соединение, с очень простой кристаллической структурой, все изменения в которой легко интерпретировать.

Выращиванием монокристаллов селенида железа занимались российские участники эксперимента. Эти монокристаллы были выращены и охарактеризованы на кафедре физики низких температур и сверхпроводимости физического факультета МГУ. По словам профессора Васильева, основная заслуга в синтезе этих, по-видимому, лучших в мире монокристаллов, принадлежит талантливому молодому исследователю, выпускнику факультета наук о материалах МГУ Дмитрию Чарееву (в настоящее время работает в Институте экспериментальной минералогии РАН).

«Он разработал собственную методику выращивания этих объектов, которая отличается низкой скоростью роста и низкой температурой роста кристаллов, — рассказал Васильев. — Исходные ингредиенты — железо и селен — долгое время «вывариваются» в расплаве сложной смеси солей. Если в других лабораториях кристаллы можно вырастить за пару дней, у Чареева на это уходит пара месяцев. По качеству, однако, его монокристаллы несравненно лучше. Я думаю, что они вообще лучшие в мире, во всяком случае монокристаллов селенида железа с подобным качеством я не встречал».

Сами эксперименты проводились в Окриджской Национальной лаборатории США, а также во Франции в Лаборатории Леона Бриллюэна и в Институте Лауэ-Ланжевена, где монокристаллы исследовались методами упругого и неупругого рассеяния нейтронов. Результаты этих экспериментов подтвердили верность ранее высказанной гипотезы о ключевой роли спиновых флуктуаций в формировании сверхпроводящего состояния в селениде железа. Кстати, одним из авторов этой гипотезы является также выпускник кафедры физики низких температур и сверхпроводимости МГУ Андрей Чубуков, ныне профессор теоретической физики университета Миннесоты. 

Помимо фундаментальной важности этой работы для понимания того, как в сверхпроводниках на основе железа формируется сверхпроводящее состояние, у этой работы есть еще одна очень интересная перспектива, а именно новый выход на высокотемпературную сверхпроводимость, то есть сверхпроводимость, возникающую выше температуры кипения азота.

В этом исследовании ученые не касались вопросов высокотемпературной сверхпроводимости, говорит Васильев. В селениде железа температура сверхпроводящего перехода весьма скромна, порядка 9 К. Этот объект, однако, обладает уникальными свойствами. Под действием давления, или за счет упругих напряжений в тонких пленках, температура сверхпроводящего перехода достигает 100 К. Сообщения об этом, наряду с появившейся недавно информацией о достижении высокотемпературной сверхпроводимости в сульфиде водорода при 203 К, позволяют предположить, что мы находимся на пороге крупных открытий, способных круто изменить вектор развития современной науки и техники.