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

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 T_c 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: T_c ≈ 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 T_c > 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.

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 T_c > 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 T_c > 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!