Високотемпературна надпровідність

Високотемпературні надпровідники (англ. High-temperature superconductivity, HTS) — це матеріали, які поводяться як надпровідники на незвично високих температурах. На початок 2020-х років це температура кипіння рідкого азоту. Температуру, за якої матеріал втрачає надпровідні властивості, називають критичною.

Перші надпровідники мали критичну температуру до 20 K. Тривалий час це вважалося температурною межею надпровідності. Проте в 1986 р. співробітники швейцарської лабораторії комп'ютерної фірми IBM Георг Беднорц та Александр Мюллер відкрили сплав, надпровідні властивості якого зберігаються і при 30 K^[1]. Трохи згодом були одержані матеріали, що мають температури надпровідності до 133 К^[2] за атмосферного тиску та 160 K^[3] під високим тиском. У 2015 році було встановлено новий рекорд надпровідності, 203 К^[4], у рідкому сірководні під високим тиском. При цьому загальноприйнятої теорії, яка пояснювала б цей клас високотемпературної надпровідності, ще не створено.

Для того, щоб електричний струм міг протікати речовиною без електричного опору, електрони провідності мають накопичитися у величезній кількості в одному й тому самому квантовому стані. Цьому запобігає принцип Паулі, оскільки електрон, маючи напівцілий спін, належить до ферміонів. Але якщо об'єднати електрони в пари, спін електронної пари буде цілим, тобто пара буде бозоном і принцип Паулі її вже не стосуватиметься. Різні теорії надпровідності розглядають різні способи формування таких електронних пар.

Розглянутий у рамках теорії БКШ механізм переходу в надпровідний стан ґрунтується на міжелектронній взаємодії через теплові коливання кристалічної ґратки. Як показують теоретичні оцінки, для такого механізму надпровідності, називаного фононним, максимальна величина критичної температури не може перевищувати 40 К за атмосферного тиску, хоча теорія БКШ здатна пояснити високотемпературну надпровідність у водневмісних сполуках під високим тиском^[4][5].

В основі теоретичної моделі високотемпературної надпровідності, розробленої академіком В. Л. Гінзбургом, лежить так званий екситонний механізм взаємодії електронів. В електронній системі існують особливі хвилі електронних збуджень — екситони. Подібно фононам, що описують теплові коливання ґратки, екситони є квазічастинками, не пов'язаними з перенесенням електричного заряду і маси; в фізиці атома екситону відповідає електронне збудження. Модельний зразок такого надпровідника являє собою металеву плівку в шарах діелектрика або напівпровідника. Електрони провідності, що рухаються в металі, відштовхують електрони діелектрика, тобто оточують себе хмарою надлишкового позитивного заряду, який і призводить до утворення електронної пари. Такий механізм кореляції електронів пророкує вельми високі значення критичної температури.

Основними досягненнями першого етапу можна вважати наступні результати:

• чітке і ясне усвідомлення того, що крім добре відомого електрон-фононного механізму надпровідності, обумовленого міжелектронним тяжінням за рахунок обміну фононами, можуть існувати й інші механізми, пов'язані з міжелектронною кулонівською взаємодією;
• доказ відсутності яких-небудь строгих, на рівні закону природи, обмежень на можливе значення критичної температури надпровідного переходу. Протилежне твердження було висунуто дуже авторитетними фахівцями в теорії надпровідності Андерсоном і Коеном і, безумовно, зробило негативний вплив на розвиток досліджень з проблеми ВТНП;
• докази того, що високі значення можуть бути отримані тільки в системах з сильними ефектами локального поля, тобто в системах з сильною взаємодією;
• виконаний детальний аналіз різних факторів, що є визначальними для фононного механізму надпровідності.

Інший можливий підхід описаний американським фізиком Літтлом. Він припустив, що в органічних речовинах особливої будови можлива надпровідність при кімнатних температурах. Основна ідея полягала в тому, щоб отримати своєрідну полімерну нитку з регулярно розташованими електронними фрагментами. Кореляція електронів, що рухаються уздовж ланцюжка, здійснюється за рахунок поляризації цих фрагментів, а не кристалічної ґратки. Оскільки маса електрона на декілька порядків менше маси будь-якого іона, поляризація електронних фрагментів може бути сильнішою, а критична температура — вищою, ніж при фононному механізмі.

Сама ідея високотемпературної надпровідності (ВТНП) в органічних сполуках була висунута ще в 1950 р. Лондоном і лише через 14 років Літтл і Гінзбург, незалежно один від одного, теоретично довели можливість ВТНП в неметалевих системах. Роботою Беднорца й Мюллера^[1] розпочався наступний етап розвитку ВТНП. Число наукових публікацій з проблеми ВТНП, що з'явилися після 1986 р., істотно перевищує повне число всіх попередніх публікацій з надпровідності, починаючи з 1911 р. Більше того, після відкриття надпровідності в купратних сполуках з ітрієм (YBCO) з ~90 К і ртуттю з ~135–160 К проблема ВТНП з суто наукової перетворилася на практично значущу, завдяки можливості вкрай важливих технічних застосувань. Ця обставина і стала, в основному, причиною потужного потоку фінансів і нових дослідників у цю область.

Новий етап розвитку проблеми ВТНП, крім самого факту експериментального виявлення відповідних систем і вже згадуваної масштабності досліджень, мав ряд інших відмінностей, у тому числі і в теоретичних підходах. Як вже зазначалося, досить давно стало ясно, що високі значення можуть мати тільки системи з сильною міжелектронною взаємодією. На першому етапі достатньої уваги вивченню таких ВТНП-систем не приділялося. Основна ж частина досліджень другого етапу пов'язана саме з вивченням ефектів сильної обмінно-кореляційної взаємодії та їх проявів як у звичайному, так і в надпровідному стані.

Велика частина теоретичних робіт спирається на модель Габбарда, в якій основну роль відіграє сильне кулонівське відштовхування електронів на одному центрі. Саме в рамках моделі Габбарда було запропоновано дві найбільш радикальні ідеї про природу ВТНП в купратах, засновані на моделі так званих резонансних валентних зв'язків. Фактично, ці ідеї значною мірою спираються на результати, отримані для одновимірних моделей взаємодіючих електронів. У них низькотемпературна поведінка електронів різко відрізняється від стандартної поведінки в тривимірних системах. Електрон, що має заряд і спін, перестає бути добре визначеним збудженням. Відбувається так званий поділ заряду і спіну. У такій моделі спін переноситься незарядженими збудженнями, а заряд — безспіновими збудженнями. Подібну систему називають латтінжерівською рідиною^[en].

Основна ідея про сутність ВТНП-систем, що розвивається Андерсоном, полягає в тому, що електронна система в таких сполуках являє собою саме латтінжерівську рідину як у нормальному, так і в надпровідному стані.

Відмінність ідеї, запропонованої Лафлін з співавторами, від підходу Андерсона полягає у використанні дробової статистики для опису низькоенергетичних збуджень в ВТНП-системах. Це означає, що відповідні збудження не є ані бозонами (як, наприклад, фонони), ані ферміонами (як самі електрони). У квантовій теорії поля для них використовується термін «аніони» (не плутати з хімічним аніоном!). Істотно при цьому, що аніонна теорія приводить до порушення симетрії щодо обернення часу, оскільки в системі фактично виникають спонтанні магнітні потоки. На жаль, експериментальні дані спростовують таку можливість. Теорія ВТНП-систем Андерсона також не викликає ентузіазму у більшої частини дослідників.

Значна частина теоретичних досліджень ВТНП-сполук на другому етапі, як, втім, і на першому, зводиться до досить стандартної процедури. Розглядається система квазічастинкових електронних збуджень, тільки замість фононів і екситонів, що призводять до міжелектронного тяжіння і спаровування, вводиться щось інше. Це можуть бути спінові флуктуації, виникнення «спінових мішків», специфіка зонної структури кристалу тощо. Відмінність другого етапу — це детальніше дослідження моделей, заснованих на існуванні сильного міжелектронного відштовхування.