Российские монокристаллы помогли учёным понять переход к сверхпроводимости

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.