• Читателям
  • Авторам
  • Партнерам
  • Студентам
  • Библиотекам
  • Рекламодателям
  • Контакты
  • Язык: English version
139
Рубрика: Новости науки
Раздел: Физика
Сверхпроводимость: "железный век" на смену "бронзовому"?

Сверхпроводимость: "железный век" на смену "бронзовому"?

В 2008 г. открыт новый класс высокотемпературных сверхпроводников на основе арсенида железа. Известные ранее материалы с такими свойствами были соединениями меди. Возможно, исследования нового семейства веществ помогут ученым лучше понять механизм и необходимые условия возникновения высокотемпературной сверхпроводимости, имеющей большое фундаментальное и прикладное значение

Явление сверхпроводимости – способность проводника пропускать электрический ток без какого-либо сопротивления и выталкивать из своего объема магнитное поле – было открыто почти 100 лет назад. За прошедшее время этот чисто квантовый эффект, обусловленный объединением электронов в так называемые куперовские пары, был обнаружен в сотнях различных химических соединений и нашел множество практических применений. Основным фактором, не позволяющим, однако, сделать использование сверхпроводников массовым, является необходимость охлаждения их до низких температур. До 1986 г. все известные сверхпроводники имели критические температуры Tc ниже 23 K (–250 °C), а значит, нуждались в охлаждении жидким гелием.

Открытие в 1986 г. высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) на основе оксидов меди (купратов), допускающих замену дорогого жидкого гелия на доступный азот, произвело настоящий фурор. К 1993—1994 гг. критические температуры ВТСП-купратов достигли рекордных значений: Tc ≈ 140 K (165 K под высоким давлением). Но в течение 20 лет интенсивных исследований не удавалось ни заметно снизить цены на изделия из купратных ВТСП, ни найти другие сверхпроводящие материалы с Tc > 40 K.

Опубликованное в феврале 2008 г. сообщение исследователей из Токийского технологического института об открытии нового класса сверхпроводников на основе арсенида железа с критической температурой 26 K инициировало новый виток гонки в поисках ВТСП-материалов. В марте в исследования включились десятки научных лабораторий, и уже к концу марта – началу апреля буквально посыпались сообщения об обнаружении все новых и новых сверхпроводников на основе фосфидов и арсенидов железа и никеля с критическими температурами до 55 K. Через несколько месяцев целые секции крупных физических конференций стали выделяться специально под тематику сверхпроводников на основе FeAs.

Слева: вот история сверхпроводимости: максимальные значения критической температуры, достигнутые в традиционных низкотемпературных сверхпроводниках (синие кружки), купратах (зеленые) и FeAs-соединениях (фиолетовые). Пунктиром отмечены уровни температур жидкого гелия и азота. Справа: Основные структурные компоненты высокотемпературных сверхпроводников — плоскости CuO₂ в купратах и плоскости FeAs в сверхпроводниках нового поколения. Стрелочками показаны магнитные моменты ионов меди и железа, которые стремятся образовать антиферромагнитный порядок, изменяя направление на 180° вдоль одной или двух осей. Сверхпроводимость возникает при химической модификации соединения, когда часть электронов из плоскостей CuO₂ и FeAs удаляется, а оставшиеся приобретают возможность двигаться по освободившимся местам (большая стрелка на верхнем рисунке). По: (Cho, 2008)

Чем же вызвано такое внимание к новым сверхпроводникам, если их критические температуры пока весьма далеки от рекордных 140 K, достигнутых в ВТСП-купратах? Основное значение открытия FeAs-сверхпроводников – это, безусловно, разрушение стереотипов и уничтожение монополии купратов, точно так же, как открытие самих купратов в свое время сломало представления о невозможности сверхпроводимости с Tc > 30—40 K. Кроме того, за два десятка лет исследований купратов, которые были единственным известным классом ВТСП-соединений, так и не удалось понять механизм и необходимые условия возникновения высокотемпературной сверх­проводимости.

С открытием нового класса сверхпроводников ситуация изменилась. Сравнение арсенидов железа с купратами уже показало, что, например, наличие в структуре легких ионов кислорода, считавшееся важнейшим условием возникновения сверхпроводимости с Tc > 50 K, таковым, скорее всего, не является. Как оказалось, новые сверхпроводники имеют с купратами всего два очевидных сходства. Первое – это слоистая структура, второе – близость сверхпроводящего состояния к антиферромагнитному, в котором магнитные моменты ионов металла в соседних узлах кристаллической решетки ориентированы противоположным образом, так что намагниченность вещества в целом равна нулю. Возможно, что сравнение купратов и арсенидов железа даст наконец ответ на принципиальный вопрос, что же в них является «клеем», столь прочно связывающим электроны в сверхпроводящие пары: колебания решетки, как в низкотемпературных сверхпроводниках, или магнитные флуктуации («колебания» магнитных моментов)?

Возвращаясь к вопросу о рекордных температурах, стоит задуматься, а какие, собственно, значения требуются для разнообразных и столь заманчивых практических приложений? Если забыть о полувековой мечте физиков о «комнатной» сверхпроводимости, то принципиальным является не стремление к рекордам выше 140—165 K, а лишь достижение Tc > 90 K, что позволит использовать для охлаждения жидкий азот, а далее вопрос сводится лишь к цене изделий. В этом смысле достигнутые в FeAs-сверхпроводниках 55 градусов по абсолютной шкале вселяют надежду. И самое главное, область поисков вновь расширилась на всю таблицу Менделеева!

Понравилось? Поделись с друзьями!

Подпишись на еженедельную e-mail рассылку!

comments powered by HyperComments