Версия для слабовидящих
Российские монокристаллы помогли учёным понять переход к сверхпроводимости Печать Email
Новости об инновациях
23.12.2015

В 1957-м году американские физики Бардин, Купер и Шриффер объяснили казавшееся на тот момент невероятным свойство некоторых материалов полностью терять электросопротивление при низких температурах. В созданной ими теории БКШ (аббревиатура образована по первым буквам фамилий авторов) 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 (своего рода трения), а тем самым, и без потерь энергии.

Агентами притяжения для электронов в этой теории выступали фононы (квазичастицы, представляющие собой волновые колебания решетки, распространяющиеся наподобие реальных частиц), которыми электроны при этом обменивались. Теория БКШ предопределила прогресс в развитии технологии сверхпроводимости на многие годы. Но, по утверждению одного из российских учёных профессора МГУ Александра Васильева, заведующего кафедрой физики низких температур и сверхпроводимости Физического факультета МГУ новые работы показывают, что учёта только фононного механизма спаривания недостаточно.

Как рассказывает учёный,

исследователи стали находить и предсказывать другие механизмы образования куперовских пар — магнонные, экситонные и так далее. Потом стало ясно, что все эти механизмы не отвергают друг друга, а наоборот, работают вместе, что чрезвычайно усложняет и без того непростую задачу анализа.

Новая работа важна тем, что эту задачу она заметно упрощает, указывая, с чего в сверхпроводниках на основе железа начинается «сотворение» сверхпроводимости и через какую цепочку процессов это приводит в конечном счёте к соединению электронов в куперовские пары.

Учёные решили экспериментально проверить оспариваемую многими исследователями гипотезу, по которой всё начинается с так называемых спиновых флуктуаций — «дрожания» спинов электронной подсистемы. Такие возбуждения искажают решетку материала, что заставляет спины дрожать ещё 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, решётки и распределения электронов в пространстве рождаются куперовские пары, способные мчаться сквозь кристаллическую решётку, как будто не замечая её присутствия.

Кстати, одним из авторов этой гипотезы является выпускник кафедры физики низких температур и сверхпроводимости физического факультета МГУ Андрей Чубуков, ныне профессор теоретической физики Университета Миннесоты. В качестве материала для исследования учёными был выбран селенид железа (II) — 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 созданы и впоследствии охарактеризованы на кафедре физики низких температур и сверхпроводимости Физического факультета МГУ.

Можно было бы предположить, что в синтезе кристаллов «простого» сверхпроводника нет ничего сложного. Однако методики постоянно совершенствуются, и созданная бывшим студентом МГУ Дмитрием Чареевым технология подарила учёным одни из самых совершенных монокристаллов в мире. Ныне талантливый молодой исследователь трудится в Институте экспериментальной минералогии РАН.

«Чареев разработал собственную методику выращивания этих объектов, которая отличается низкой скоростью 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".

Нетрудно догадаться, что совершенная структура значительно упрощает анализ природных процессов. Эксперименты по изучению физики феномена проводились в Окриджской Национальной лаборатории (ORNL), США, а также в

Лаборатории Леона Бриллюэна (LLB) и в Институте Лауэ-Ланжевена (ILL), Франция, 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.

Помимо фундаментальной важности этой работы для понимания того, как в сверхпроводниках на основе железа формируется сверхпроводящее состояние, у этой работы есть ещё одна очень интересная перспектива: выход на высокотемпературную сверхпроводимость, то есть сверхпроводимость, возникающую выше температуры кипения азота (77 кельвинов, или минус 196 градуса Цельсия).

Тут стоит пояснить. В нынешнем исследовании физики не касались вопросов высокотемпературной сверхпроводимости. В селениде железа температура сверхпроводящего перехода весьма скромна — порядка 9 К (-264 °C). Но этот материал, впрочем, обладает уникальными свойствами. Под действием давления или за счёт упругих напряжений в тонких плёнках, температура сверхпроводящего перехода доходит уже до 100 К (то есть ток течёт по нему без сопротивления уже при –173 °C).

Недавно появилась информация о достижении высокотемпературной сверхпроводимости в сульфиде водорода и вовсе при 203 К (то есть всего лишь при –70 °C). Это означает, что при правильном использовании полученной информации учёные смогут круто изменить вектор развития современной науки и техники.

Данное исследование позволит создавать новые сверхпроводники, изменять имеющиеся и, если уж фантазировать, сможет в далёком будущем заставить их работать и в комнатных условиях. То есть для передачи тока без сопротивления не нужны будут сложные устройства и огромные системы охлаждения.

Статью о своей работе международная группа учёных опубликовала в последнем номере журнала Nature Materials.

Источник - http://www.nanonewsnet.ru/news/2015/rossiiskie-monokristally-pomogli-uchenym-ponyat-perekhod-k-sverkhprovodimosti

 

Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта