Публикации: Прочее (рубрикатор)

Сверхпроводимость согревает сердца множества физиков и... практиков. И объяснения, как электроны в некоторых системах "преодолевают" кулоновское отталкивание, образуя куперовские пары (признак сверхпроводника) – теория БКШ* - вдохновила поколения теоретиков физики конденсированного состояния на поиски столь же мощного и элегантного объяснения того, что происходит при взаимодействии в твердом теле большого числа электронов. Основные идеи поразительно просты, но попытки понимания того, что происходит в настоящем материале, заставляют и теоретиков, и экспериментаторов работать на пределе возможностей.

Электроны – это фермионы, поэтому принцип Паули запрещает им занимать одно и то же состояние. Куперовские пары, с другой стороны, – это бозоны, так что они могут долго и счастливо жить в одном и том же состоянии, что и приводит к потоку электрического заряда безо всякого сопротивления ниже температуры перехода в сверхпроводящее состояние. В низкотемпературных сверхпроводниках, преимущественно представляющих из себя простые металлы и интерметаллиды, например, ниобий или свинец, электроны образуют пары в результате взаимодействия с колебаниями металлической решетки. В высокотемпературных сверхпроводниках ("химических" сверхпроводниках), в основном, в сложных керамических материалах, таких как купраты и недавно открытые пниктиды железа, детали механизма образования пар все еще являются предметом ожесточенных споров.

То обстоятельство, что сверхпроводимость является макроскопическим явлением, позволяет предположить, что у нее мало общего с нанонаукой и нанотехнологией, но не тут-то было – открываются все больше областей перекрывания двух наук. Нанопровода и УНТ использованы для создания множества устройств, включая транзисторы[1] и SQUID**-магнетометры [2], и для понимания структуры объемных сверхпроводников в наномасштабе для улучшения работы сверхпроводящих кабелей. Кроме того, с помощью СЭМ было визуализовано образование куперовских пар в купратах на субнанометровом масштабе, что показало, что спаривание происходит на наноразмерных дефектах ниже температуры сверхпроводящего перехода [3].

Возникает естественный вопрос, каковы наименьшие размеры системы, в которой еще может наблюдаться сверхпроводимость. Уже было показано, что два слоя металлического свинца на кремниевой подложке могут обладать сверхпроводимостью, и температура сверхпроводящего перехода при этом зависит от структуры пленки свинца. При том же параметре решетки, что и объемного металла, эта температура составляет 4.9 К, а при приближении к параметру решетки подложки падает до 3.65 К[4].

Тот же вопрос возникает и в отношении ВТСП на основе купратов – слоистых материалов, в которых присутствуют "сверхпроводящие плоскости" CuO2 (атомов меди и кислорода). Не все купраты обладают сверхпроводимостью: La₂CuO₄, например, вообще изолятор. La_1.1Sr_0.1CuO₄ - сверхпроводник, а La_1.55Sr_0.45CuO₄– металл. Более того, если теперь нанести пленку металлического La_1.55Sr_0.45CuO₄ поверх тонкого слоя изолятора La₂CuO₄, полученная двуслойная структура окажется сверхпроводящей. В других оксидных системах тоже иногда наблюдается граничная сверхпроводимость [5].

Исследователи из Брукхэвенской лаборатории исследовали роль одиночной плоскости CuO₂ путем наслаивания ряда двуслойных структур – абсолютно одинаковых, кроме того, что по нескольку атомов меди всего в нескольких плоскостях CuO₂ были заменены на цинк, который, как известно, "убивает" сверхпроводимость купратов. Команда из Брукхэвена обнаружила, что большинство образцов сохранило сверхпроводимость, температура перехода составляла 32 К, а при замене на цинк атомов меди из второй плоскости температура падала до 18 К, что показывает, что один слой CuO₂ может сохранять сверхпроводимость.

А пока одни физиков изучает основы сверхпроводимости на "атомном" уровне, другие изучают фундаметнальные основы квантовой теории, например, разрушая с помощью квантовых точек куперовские пары. Если правильно провести процесс, можно получить электроны с зависимыми спинами даже при их существенном пространственном удалении друг от друга. Так что даже спустя почти век с момента открытия сверхпроводимости физики так и не могут вырваться из ее леденящих объятий.

• * теория сверхпроводимости Бардина-Купера-Шриффера
• ** superconducting quantum interference devices, сверхпроводящий квантовый интерферометр

1. Jarillo-Herrero, P., van Dam, J. A. & Kouwenhoven, L. P. Nature 439, 953–956 (2006).
2. Cleuziou, J. P. et al. Nature Nanotech. 1,53–59 (2006).
3. Yazdani, A. J. Phys. CM 21, 164214 (2009).
4. Qin, S., Kim, J., Niu, Q. & Shih, C. K. Science 324, 1314–1317 (2009).
5. Reyren, N. et al. Science 317, 1196–1199 (2007).