ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНАЯ СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ

Высокотемпературные сверхпроводники были открыты более 20-ти лет назад, но по сей день остаются загадкой. Керамические материалы на основе оксида меди проводят электрический ток без потерь при намного более высокой температуре, чем обычные сверхпроводники, которая, впрочем, гораздо ниже комнатной. Известно, что в обоих случаях сверхпроводимость обеспечивается спариванием электронов и формированием из всей их совокупности единого коллективного квантового состояния. Однако ученые до сих пор не знают, какие силы удерживают электроны в парах в высокотемпературных сверхпроводниках. Было выдвинуто несколько предположений, но ни одно из них не было доказано. Результаты недавних экспериментов позволяют исключить из рассмотрения две серьезные гипотезы.

В низкотемпературных сверхпроводниках электроны взаимодействуют через фононы – кванты тепловых колебаний положительно заряженных ионов, составляющих кристаллическую решетку металла. Ее искажение, возникающее при прохождении одного электрона, через несколько микросекунд оказывает влияние на его партнера. Таким образом, при испускании и поглощении фононов между электронами возникает слабое взаимное притяжение. Такая модель обычной сверхпроводимости называется теорией Бардина–Купера–Шриффера (БКШ) – в честь ученых, разработавших ее в 1957 г.

Когда в 1986 г. были открыты высокотемпературные сверхпроводники, выяснилось, что теория БКШ в существующем виде не способна объяснить некоторые их особенности. Прежде всего при более высоких температурах энергия тепловых колебаний решетки намного превышает энергию взаимного притяжения электронов, обусловленную фононами. (Правда, недавно этот предел критической температуры был поставлен под сомнение.) Кроме того, замена изотопов в БКШ-сверхпроводнике влияет на характеристики фононов (более тяжелые атомы колеблются с меньшей частотой) и приводит к изменению критической температуры на вполне определенную величину, которая у высокотемпературных сверхпроводников оказывается иной.

Пытаясь разобраться в природе сил, вызывающих спаривание, физики занялись изучением излома на графике энергии спаренных электронов. Многие ученые связывают его с магнитным резонансом – одним из типов коллективного состояния электронов. Вместе с тем одна экспериментальная группа попыталась опровергнуть сложившиеся представления о необычных сверхпроводниках и представила свидетельства того, что причина излома кроется в фононах.

Результаты, полученные в Университете Макмастера и в Брукхейвенской национальной лаборатории, похоже, исключают магнитный резонанс и фононы из числа претендентов на звание причины спаривания электронов в высокотемпературных сверхпроводниках. Для определения энергии спаренных электронов измеряли зависимость интенсивности инфракрасного излучения, рассеянного на сверхпроводнике, от длины волны. Группа во главе с Томасом Таймаском (Thomas Timusk) выявила на фоне рассеяния в широком диапазоне частот острый пик, который явно связан с изломом, обнаруженным в других экспериментах. Однако он отсутствует в результатах аналогичных опытов со сверхлегированными материалами, которые содержат больше атомов кислорода и поэтому переходят в сверхпроводящее состояние при более низких температурах. Таким образом, фононы, присутствующие во всех материалах, включая сверхлегированные, не могут быть причиной пика и излома графиков. Широкодиапазонный фон рассеяния тоже не связан с фононами: в противном случае он должен был бы обрываться на высоких частотах.

Условия, при которых наблюдается острый пик рассеяния, хорошо согласуются с гипотезой о магнитном резонансе, но он отсутствует в сверхлегированных материалах, остающихся тем не менее сверхпроводящими. Значит, сверхпроводимость не связана с магнитным резонансом.

Остается широкодиапазонный фон, который, по мнению Таймаска, должен возникать при любом процессе, вызывающем спаривание электронов. Однако материаловеды из Аргонской национальной лаборатории полагают, что, хотя магнитный резонанс не принимает участия в образовании электронных пар, есть серьезные основания считать природу связующих сил магнитной. Итак, поиск продолжается. Два претендента выбыли, но загадка пока не разгадана.

Оригинал - www.sciam.ru