Группа японских физиков-экспериментаторов методом ядерного магнитного резонанса обнаружила в монокристалле SrFe2As2
уникальное гибридное состояние — одновременное сосуществование
антиферромагнетизма и сверхпроводимости. Данное открытие может
прояснитьмеханизм возникновения высокотемпературной сверхпроводимости.
Все сверхпроводники можно классифицировать двумя способами. Первый способ — по величине критической температуры Tc —
температуры перехода из нормального (когда вещество имеет отличное от
нуля электрическое сопротивление) в сверхпроводящее состояние.
Сверхпроводники с высокой Tc называют
высокотемпературными (сокращенно ВТСП), с низкой — низкотемпературные.
Условная граница между ними проходит по соединению Nb3Ge с критической температурой приблизительно 23 К.
Второй способ — по механизму образования куперовских пар. В 1956 году была построена теория БКШ
(Джона Бардина, Леона Купера, Роберта Шриффера), согласно которой
сверхпроводящее состояние вещества вызвано образованием электронных
пар, названных чуть позже куперовскими.
Каждая пара ведет себя в сверхпроводнике как единое целое, что
позволяет электронам проводимости без потерь энергии, а значит и без
сопротивления, протекать через кристаллическую решетку вещества.
В теории БКШ формирование куперовских пар происходит за счет того, что
электроны и ионы кристаллической решетки обмениваются квазичастицами —
фононами (квантами колебаний ионов кристаллической решетки). Такой
обмен приводит к возникновению притяжения, которое называется
электрон-фононным и которое сильнее электростатического отталкивания
между электронами.
Когда в 1987 году Иоганнес Георг Беднорц и Карл Алекс Мюллер открыли первый ВТСП — La2-хBaхCuO4, —
стало ясно, что теория сверхпроводимости БКШ не в состоянии объяснить
высокую критическую температуру такого соединения. Такую же загадку
представляли собой и другие ВТСП с более высокой Tc, открытые вслед за La2-хBaхCuO4.
С тех пор в научной среде заговорили о более сложном механизме
образования куперовских пар. Отсюда и возник второй способ
классификации — наряду с так называемыми обычными сверхпроводниками с
фононным механизмом (сверхпроводимость в них объясняется теорией БКШ)
стали выделять необычные сверхпроводники с неизвестным сейчас
механизмом возникновения куперовских пар (в англоязычной литературе их
называют conventional и unconventional, или non-conventional).
Сразу оговоримся, что не все необычные сверхпроводники являются
высокотемпературными. Например, есть класс металлических соединений,
называемых тяжелофермионными (CeCu2Si2, UBe13, UPt3 и
др.), критическая температура которых не превышает и 5 К. (Название
«тяжелофермионные» эти металлы получили из-за значительной
«эффективной» массы электронов проводимости, достигающей порядка
1000 масс электронов, то есть очень близкой к массе других элементарных
частиц с полуцелым спином (фермионам) — протонов и нейтронов.) К
необычным сверхпроводникам следует также отнести фуллериды (соединения
фуллерена C60 с металлом) и органические сверхпроводящие вещества.
В то же время почти все обычные сверхпроводники являются
низкотемпературными сверхпроводниками. Исключение следует сделать для
единственного пока что соединения — диборида магния (MgB2) — с Tc = 39 К. В сверхпроводящем MgB2
куперовские пары образуются за счет фононов. Вот только утверждать, что
он подчиняется классической теории БКШ, нельзя. Такую высокую
температуру физики объясняют в рамках так называемой двухзонной модели
БКШ. Проще говоря, в дибориде магния существует два сорта куперовских
пар. Их взаимодействие в итоге и дает Tc = 39 К. Если вынести за скобки MgB2, то между обычными и низкотемпературными сверхпроводниками можно смело ставить знак равенства.
Длительное время считалось, что все необычные высокотемпературные
сверхпроводники содержат в своем составе медь. Из-за этого их часто
называли медьсодержащими, или купратными. В 2008 году, после открытия
группой японских ученых во главе с Хидео Хосоно сверхпроводимости в LaFxFeAsO1–x (x = 0,05–0,12) с Tc = 26 К, стало ясно, что к ВТСП следует отнести еще и некоторые железосодержащие вещества.
В данный момент сверхпроводимость обнаружена в четырех
классах железосодержащих соединений: ReFeAsO (Re — rare earth,
редкоземельный металл), AeFe2As2 (Ae — alkaline
earth, щелочноземельный металл), AFeAs (A — alkaline, щелочной металл)
и FeCh (Ch — chalcogen, халькоген). Для справки: максимальная
критическая температура 56 К была достигнута для GdFeAsO.
Обнаружение «железных» сверхпроводников возродило интерес к поиску
ответа на ключевой вопрос: посредством чего в сверхпроводниках с
высокой Tc электроны объединяются в куперовские пары?
Этот ответ позволил бы физикам-теоретикам наконец построить теорию
высокотемпературной сверхпроводимости, а экспериментаторам — получать
ВТСП с более высокой критической температурой, чем та, что есть сейчас.
По мнению ученых, причина образования куперовских пар, скорее всего,
кроется в фазовых диаграммах ВТСП — зависимости некоторых свойств
вещества от степени допирования «материнских» соединений либо
приложенного к ним давления (рис. 1 и рис. 4).
На примере одного из классов железосодержащих сверхпроводников —
ReFeAsO (где Re — редкоземельный металл) — поясним, о каких свойствах
идет речь. Напомним, что допирование представляет собой химическую
процедуру замены части атомов вещества атомами другого элемента.
Недопированное ReFeAsО называется «материнским» соединением. Например,
для упомянутого выше LaFxFeAsO1–x (x = 0,05–0,12) степень допирования x, равная 0,05, означает, что 5% атомов кислорода были заменены на такое же количество атомов фтора.
«Материнское» ReFeAsО обладает антиферромагнитными свойствами (на фазовых диаграммах обозначено как AF — AntiFerromagnetism) или парамагнитными (во всей остальной, не ограниченной какими-либо кривыми области диаграммы) и не становится сверхпроводником.
Замена атомов редкоземельного элемента атомами фтора приводит к
увеличению концентрации электронов проводимости, постепенному
подавлению антиферромагнетизма и возникновению сверхпроводимости (на
графиках сверхпроводящая фаза обозначена как SC — SuperConductivity).
Каждая линия на фазовой диаграмме очерчивает состояние вещества и
соответствует графику зависимости от степени допирования либо
критической температуры Tc (если этот график
ограничивает сверхпроводимость), либо температуры Нееля — температуры
перехода из парамагнитной в антиферромагнитную фазу.
Аналогичная картина наблюдается и в других классах железных сверхпроводников, в частности AeFe2As2
(здесь Ae — alkaline earth, щелочноземельный металл). «Материнское»
соединение проявляет свойства антиферромагнитного упорядочения,
допирование калием приводит к возникновению сверхпроводимости.
То же самое, как можно видеть из рис. 1c, имеет место и в купратных
ВТСП — в процессе допирования антиферромагнетизм сменяется
сверхпроводимостью (см. рис. 1). Таким соседством или, как говорят
физики, конкуренцией двух явлений, вероятно, и объясняется образования
куперовских пар.
Известно, что на микроскопическом уровне антиферромагнитная
(антипараллельная) — как, впрочем, и ферромагнитная (параллельная) —
ориентация магнитных моментов атомов (а по сути, спинов электронов на
внешних орбитах) обусловлена обменным взаимодействием между ними. Это
взаимодействие является своего рода квантовомеханическим (связанным с принципом запрета Паули)
аналогом электростатического взаимодействия. Вероятно, обменное
взаимодействие и есть механизм формирования электронных пар в ВТСП, и
это касается не только «железных» ВТСП. Заметим, что некоторые
физики-теоретики высказываются в пользу смешанного механизма
формирования куперовских пар: обменное и электрон-фононное
взаимодействие работают одновременно.
В любом случае, недавно вышедшая в журнале Physical Review Letters экспериментальная работа Spontaneous formation of a superconducting and antiferromagnetic hybrid state in SrFe2As2 under high pressure (в открытом доступе статья находится здесь),
выполненная учеными из Токийского университета, подтверждает
существенную роль антиферромагнетизма в объединении электронов
проводимости в куперовские пары, по крайней мере в железных ВТСП.
Объектом исследований японских ученых стал недопированный монокристалл SrFe2As2 (рис. 2).
Охлаждая и сжимая исследуемый образец, ученые методом ядерного магнитного резонанса
обнаружили в нём одновременное появление сверхпроводимости и
антиферромагнетизма в интервале давлений от 4,2 ГПа до почти 8 ГПа (от
42 тыс. атмосфер до 80 тыс.). То, что SrFe2As2 без всякого допирования может под давлением стать сверхпроводящим, было известно и ранее.
Соль открытия в том, что авторы статьи впервые наблюдали в этом
железосодержащем сверхпроводнике под действием давления одновременный
переход «парамагнетик + нормальный металл — антиферромагнетик +
сверхпроводник» (рис. 3). Возникающую в монокристалле SrFe2As2 фазу «антиферромагнетик + сверхпроводник» ученые назвали гибридным состоянием.