Хронограф
18152229
29162330
310172431
4111825
5121926
6132027
7142128

<декабрь>

Путеводители

Железная ступень к высокой температуре

Неожиданные и не объяснимые современной физической теорией свойства обнаружились в экспериментах с полупроводниками

Скорости академической карьеры Георга Беднорца (справа) можно только позавидовать: в 1968 году он поступил в университет Мюнстера и начал там изучать минералогию, в 1982-м он приступил к опытам по сверхпроводимости под руководством Алекса Мюллера (слева), а в 1987 году стал нобелевским лауреатом. Фото: IBM

Высокотемпературная сверхпроводимость (ВТС) была открыта в 1986 году, когда сотрудники расположенного в Цюрихе филиала фирмы IBM неожиданно обнаружили, что у некоторых сложных керамических соединений сверхпроводимость возникает при температуре на 35 градусов выше абсолютного нуля (35 К). К тому времени сверхпроводимость была уже понята и теоретически описана, однако в экспериментах наблюдалась лишь при значительно более низких температурах — порядка нескольких кельвинов.

Чаще всего Нобелевская премия — наивысшая и самая престижная награда, на которую может рассчитывать ученый, — присуждается спустя много лет после выдающегося открытия, которое и становится поводом для такого присуждения. Но в этот раз Нобелевская премия по физике была присуждена практически немедленно: в 1987 году Иоганнес Георг Беднорц (Johannes Georg Bednorz) и Карл Александр Мюллер (Karl Alexander Müller) поехали из Цюриха в Стокгольм получить свою заслуженную награду.

Плодотворная теория

Открытие Беднорца и Мюллера спровоцировало настоящий шквал публикаций. ВТС было даже посвящено специальное заседание конгресса США. Казалось, что не позже чем через год удастся получить сверхпроводники при комнатной температуре, а большинство экспертов пророчили вызванный открытием ВТС технологический переворот, сравнимый разве что с тем, который последовал за изобретением транзистора. К сожалению, все эти ожидания не оправдались: температура перехода поднималась очень неохотно, а перспективные с этой точки зрения материалы оказались плохо поддающимися технологической обработке.

Поиски веществ, обнаруживающих необычные, квантовые свойства, начались вслед за открытием сверхпроводимости в 1911 году знаменитым голландским физиком Хейке Камерлинг-Оннесом (Heike Kamerlingh-Onnes, 1853–1926). Исследуя свойства жидкого гелия, Камерлинг-Оннес обнаружил, что при температуре 4,2 К у твердой ртути исчезает электрическое сопротивление. Награды и он ждал недолго: всего через два года, в 1913-м, Камерлинг-Оннес получил свою Нобелевскую премию, а весь физический мир озаботился детальным исследованием открытого явления в надежде, в частности, максимально повысить температуру перехода в сверхпроводящее состояние — критическую температуру сверхпроводника.

Эффект Мейснера чаще всего иллюстрируется вот такой «левитацией» сверхпроводника в магнитном поле. Одновременно с «вытеснением» магнитного поля изнутри диамагнетика происходит и вытеснение самого диамагнетика в область более слабого магнитного поля. Возникающая при этом сила вполне достаточна, чтобы компенсировать силу тяжести. Фото: Los Alamos National Security, LLC

Однако построить теорию сверхпроводимости удалось далеко не сразу. Первым шагом к ней стало открытие замечательной связи между электрическими и магнитными свойствами сверхпроводника. В 1933 году Вальтер Мейснер (Walther Meißner, 1882–1974) и Роберт Оксенфельд (Robert Ochsenfeld, 1901–1993) обнаружили, что сверхпроводник всегда «выталкивает» из себя магнитное поле. Вещество, магнитное поле внутри которого всегда слабее, чем магнитное поле снаружи, называют диамагнетиком. Другими словами, немецкие физики обнаружили, что в относительно слабом магнитном поле сверхпроводники ведут себя как идеальные диамагнетики. Если поле становится сильным, то сверхпроводящее состояние разрушается.

Опыты Мейснера и Оксенфельда дали основания Фрицу Вольфгангу Лондону (Fritz Wolfgang London, 1900–1954) высказать гипотезу, что диамагнетизм следует рассматривать как фундаментальное свойство сверхпроводников. Его догадка подтвердилась: согласно современному определению, состояние сверхпроводимости предполагает в равной степени и полное отсутствие у образца электрического сопротивления, и его идеальный диамагнетизм.

Второй шаг к построению теории также был связан с идеями Фрица Лондона. На этот раз он предположил, что по своей природе сверхпроводимость — коллективный эффект, он появляется сразу во всем объеме образца. В этом его принципиальное отличие, например, от закипающей воды, в которой пар образуется сначала в отдельных пузырьках. Идея Лондона развили в своих работах тройка американских физиков-теоретиков Джона Бардина (John Bardeen, 1908–1991), Леона Купера (Leon Neil Cooper) и Джона Роберта Шрифера (John Robert Schrieffer), приведших и их к нобелевскому олимпу в 1972 году за «создание теории сверхпроводимости».

В соответствии с их теорией, названной в честь авторов теорией БКШ, пары электронов в сверхпроводнике образуют связанные состояния, куперовские пары. Каждая такая пара немного похожа на атом, а все они вместе — на газ. При низких температурах этот газ становится похож на идеальный, и движется через кристаллическую решетку металла без рассеяния и, следовательно, без потерь энергии.

Теория БКШ ещё долго плодоносила. Среди тех, кого она привела к Нобелевской премии, советские физики-теоретики Лев Давидович Ландау (1908–1968), Виталий Лазаревич Гинзбург, Алексей Алексеевич Абрикосов. Однако существующая теория объясняет только свойства так называемых «низкотемпературных сверхпроводников», объяснить же природу высокотемпературной сверхпроводимости теоретикам пока не удается.

Ключевым фактором повышения критической температуры перехода в сверхпроводящее состояние в теории БКШ является энергия связи куперовских пар. Однако в высокотемпературных купратных сверхпроводниках рост энергии связи не приводит к росту температуры перехода из-за электронов, «застрявших в пробках» вблизи атомов меди. Иллюстрация: Brookhaven National Laboratory

Журнал New Scientist в выпуске от 7 ноября 2008 года приводит слова одного из ведущих специалистов в этой области, профессора химии Принстонского университета Роберта Кавы (Robert Cava): «Уже более 20 лет лучшие умы пытаются понять возникновение выскотемпературной сверхпроводимости, и тем не менее до сих пор никто не может сказать, откуда она берется». В исследовании этого удивительного феномена экспериментаторам приходится опираться преимущественно на интуицию и эвристические спекуляции.

Химический состав

Главной неожиданностью в открытии Беднорца и Мюллера стал химический состав веществ, в которых была обнаружена ВТС. Сверхпроводником оказалась оксидная керамика (традиционно использовавшаяся как диэлектрик или полупроводник), а совсем не те вещества, которые в исследованиях по увеличению температуры сверхпроводящего перехода считались перспективными. Вполне естественно, что новый класс сверхпроводников немедленно стал объектом пристального внимания и вскоре в различных физических лабораториях были получены новые виды металлоксидных сверхпроводников. Лучших результатов в этом достигли физики США, Японии, Китая и России. В состав почти всех высокотемпературных сверхпроводников нового поколения входит двуокись меди, в связи с чем они получили название купратных.

В настоящее время максимальная температура сверхпроводящего перехода при нормальном давлении составляет 135 К. В условиях высокого давления температуру перехода удается повысить, и в опытах она уже приближается к минимальной температуре, когда-либо зарегистрированной на земле — 183 К.

Открытие, сделанное недавно японским физиком Хидео Хосоно (Hideo Hosono) из Токийского технологического института (Tokyo Institute of Technology), было встречено с большим энтузиазмом, хотя и не было связано с продвижением вверх по шкале температур. Хосоно обнаружил ранее считавшееся невозможным: новый вид сверхпроводящих материалов, в состав которых входит железо. Статья Хосоно, сообщавшая о первом из таких материалов, вышла в свет в феврале нынешнего года в Журнале Американского химического общества (Journal of the American Chemical Society), и за прошедшее с тех пор время в редакции профильных научных журналов поступило более сотни статей о различных свойствах новых сверхпроводников. «Я не мог даже предполагать, что мои результаты вызовут такой ажиотаж», — признался однажды Хосоно в телевизионном интервью.

Его открытие стало во многом неожиданным для него самого. Задача исследования не была связана с поиском новых сверхпроводящих материалов: Хосоно занимался синтезом прозрачных полупроводников и искал их в классах самых разных химических соединений. Испробованные им вещества включали в себя железо, мышьяк, кислород и редкоземельный металл лантан. Рассчитывая увеличить электропроводность получаемого вещества, он заменил часть атомов кислорода атомами фтора, и в итоге же с удивлением обнаружил, что при температуре 26 К электрическое сопротивление изготовленных им образцов полностью исчезало.

Всего через несколько недель эксперименты Хосоно повторили его коллеги из пекинского Института физики (Institute of Physics, CAS). Заменив лантан церием, другим редкоземельным металлом, они довели температуру перехода до 41 К. И дальше, без устали меняя элементы в химической формуле соединения, китайские физики стали неудержимо двигаться вверх по шкале температур. Сяньхуй Чень (Хianhui Chen) из Китайского научно-технического университета в Хэфэе (University of Science and Technology of China) добился успеха даже дважды: заменив лантан самарием, он повысил температуру перехода ещё на два градуса, а потом заменил лантан неодимием и празеодимием, и температура сверхпроводящего перехода выросла до 50 К.

Подобными действиями уже к лету температуру перехода удалось поднять до 55 К. Обобщая полученные результаты, можно сказать, что все эти эксперименты проводились с ранее неизвестными видами сверхпроводящих материалов с общей химической формулой ReFeAsO. Здесь Re — один из редкоземельных металлов: лантан (Ln), самарий (Sm), неодим (Nd) или празеодим (Pr).

Фотография структуры сверхпроводящей соли LaFeAsO, часть атомов кислорода в которой заменяется фтором, выполненная на конфокальном микроскопе. Фото: Peter Lee/Florida State University, Applied Superconductivity Center at the National High Magnetic Field Laboratory

Где искать сверхпроводимость?

На использовании сверхпроводящих материалов строится немало современных технологий. Повышение даже на градус необходимой для работы обмоток электромагнитов Большого адронного коллайдера температуры обошлось бы недельным сокращением его вынужденного простоя. Однако эти материалы представляют особый интерес и для фундаментальной физики.

Мы уже отмечали, что достаточно сильное магнитное поле разрушает сверхпроводимость. В цитированном выше выпуске журнала New Scientist приводятся слова физика-теоретика Иллинойского университета в Эрбана-Шампейн (University of Illinois at Urbana-Champaign) Филипа Филлипса (Philip Phillips): «Наименее подходящее место для поисков сверхпроводимости — это вещества, в состав которых входит железо». Железо, напомним, является ферромагнетиком — веществом, внутри которого магнитное поле усиливается, а сверхпроводник должен быть диамагнетиков — то есть веществом, внутри которого магнитное поле ослабляется. Сверхпроводимость и железо казались несовместимыми ещё и потому, что в процессе намагничивания ферромагнетиков спины — собственные магнитные моменты электронов — ориентируются в одном направлении, спины же электронов в куперовских парах компенсируют друг друга.

Чтобы получить представление о происходящем «внутри» сверхпроводников нового типа, Пэнчэн Дай (Pengcheng Dai) из Теннесийского университета в Ноксвилле (University of Tennessee) обратился за помощью к Джеффри Линну (Jeffrey Lynn) и его коллегам из Центра нейтронных исследований Национального института стандартов и технологий в Гейтерсбурге (NIST Center for Neutron Research). Получив из лаборатории Чжунсяня Чжао (Zhong-Xian Zhao) пекинского Института физики образцы лантансодержащих сверхпроводников, Пэнчэн Дай и Линн подвергли их охлаждению, одновременно зондируя нейтронным пучком для выявления возможных структурных изменений.

В итоге исследований структуры сверхпроводников нового типа было установлено, что механизм протекания в них электрического тока во многом похож на механизм распределения тока внутри купратных сверхпроводников. И в том и в другом случае большую роль играют двухмерные структуры: в первом случае ток протекает по слоям оксида меди, во втором случае — по слоям арсенида железа. Схожесть свойств этих двух, казалось бы, совершенно разных типов сверхпроводящих материалов ставит вопрос о том, насколько правильна ставшая уже почти аксиомой связь диамагнетизма и сверхпроводимости.

Магнитооптическое изображение магнитных полей внутри купратного сверхпроводника обнаруживает в нем и сверхпроводящие гранулы (желтые) и магнитные барьеры между ними. Фото: D.C. van der Laan/NIST and J. Schwartz, NHMFL-FSU 

Сверхпроводник в магнитном поле

Есть, однако, и одно весьма существенное отличие высокотемпературных купратных сверхпроводников от сверхпроводников с арсенидом железа. Объединение двух электронов в пару описывается в теории БКШ энергией связи. При этом считается, что пара совершенно симметрична, и эта энергия никак от ориентации пары в пространстве (или её положения по отношению к внешнему возмущению) не зависит. Эта теория хорошо согласуется с экспериментом в случае низкотемпературных сверхпроводников. Для купратных высокотемпературных сверхпроводниках эта энергия меняется в зависимости от направления, меняясь в широких пределах — таким образом, что в некоторых направлениях для разрушения пары вообще не требуется затрат энергии.

Профессор физики университета Джонса Гопкинса в Балтиморе (Johns Hopkins University) Цялин Цянь (Chia-Ling Chien Chien), называющий энергию связи куперовских пар «душой сверхпроводника», решил измерить её для сверхпроводников на основе арсенида железа. Как он потом признавался, «мы ожидали обнаружить сходство с купратными сверхпроводниками». Но эксперименты обнаружили иное: ситуация более похожа на то, что наблюдается у низкотемпературных сверхпроводников.

Итак, открытые Хосоно сверхпроводники похожи (хотя и по-разному) и на низкотемпературные, и на высокотемпературные Это обстоятельство весьма воодушевило некоторых ученых; так, по мнению Еруна ван ден Бринка (Jeroen van den Brink), физика-теоретика из Лейденского университета (Leiden University), «должен существовать единый механизм сверхпроводимости, описывающий разные её виды».

Каков бы этот механизм ни был, именно материалы на основе арсенида железа привлекают сейчас наибольшее внимание. Одна из причин в их способности эффективнее — по сравнению с купратными сверхпроводниками — противостоять сильному магнитному полю. Так, в мае 2008 года исследователи из университета штата Флорида (Florida State University) сообщили в журнале Nature, что сверхпроводимость в материалах такого класса начинает разрушаться только при очень больших значениях магнитных полей, порядка 45 Тс. Это означает, что сверхпроводники с присутствием железа могут оказаться незаменимыми при изготовлении мощных электромагнитов, используемых, к примеру, в магниторезонансной терапии (заметим, что при этом сама процедура изготовления сверхпроводников на основе арсенида железа требует большой осторожности из-за присутствия токсичного мышьяка).

Сама возможность сохранять сверхпроводящие свойства в присутствии относительно сильных магнитных полей делает использование таких сверхпроводников с арсенидом железа весьма перспективным. В особенности, если удастся поднять критическую температуру по крайней мере до 77 К — температуры, которая может быть достигнута с использованием жидкого азота, существенного более дешевого, нежели жидкий гелий.

Однако уже сейчас появились специалисты, устверждающие, что химические соединения с редкоземельными элементами никогда не будут сверхпроводящими при температурах выше 55 К. По мнению же других, для всестороннего изучения сверхпроводимости необходимо больше внимания уделять редкоземельным элементам. Определенные ожидания связываются при этом с недавними экспериментами по выращиванию монокристаллов редкоземельных арсенидов железа, степень чистоты которых много выше, нежели у использовавшихся до сих пор поликристаллов. Итак, спустя двадцать с лишним лет после открытия Беднорца и Мюллера сверхпроводимость поставила перед физикой новые неожиданный вопросы, а экспериментаторы вновь привели теоретиков в замешательство.

Борис Булюбаш, 13.11.2008

 

Новости партнёров