Химики предлагают объяснение высокотемпературной сверхпроводимости

Более 25 лет прошло с тех пор как ученые обнаружили первые высокотемпературные сверхпроводники, оксиды меди или купраты, которые проводят электричество без малейшего сопротивления при температурах, намного выше, чем у других сверхпроводящих металлов. Но никто не мог объяснить, почему эти купраты обладают сверхпроводимостью. Теперь, два химика Калифорнийского технологического института (Caltech) разработали гипотезу, объясняющую странное поведение этих материалов, а также указали способ получения еще более высокотемпературных сверхпроводников.

Сверхпроводники имеют неоценимое значение для приложений, таких как МРТ машины, потому что они отлично проводят электричество, без потери энергии, необходимой для создания больших магнитных полей. Проблема в том, что большинство сверхпроводников могут функционировать только при экстремально низких температурах, это делает их непрактичными для большинства приложений, из-за расходов на их охлаждение.

Значение критической температуры Т_с показывает максимальную температуру, при которой материал обладает сверхпроводимостью. Сверхпроводник, используемый в МРТ - металлический сплав ниобия олова, имеет максимальную температуру Т_с=-248˚C. Для охлаждение этого материала до такой низкой температуры требуется жидкий гелий, дефицитный и очень дорогой товар.

Купраты отличаются. Они по-прежнему хорошо работают ниже нуля (самый высокотемпературный сверхпроводник был создан в 1993 году, максимальная Т_с около -135˚С), но некоторые из них могут быть охлаждены с помощью жидкого азота. Это делает их гораздо более практичными, так как жидкий азот имеется в избытке и его стоимость составляет около 1/100 жидкого гелия.

Конечной целью, однако, является создание сверхпроводников, которые могли бы работать при комнатной температуре. Они могли бы улучшить работу вышек сотовой связи и надежность электросетей, а однажды могут обеспечить работу левитирующих поездов, что приведет к значительному снижению затрат на топливо.

"Но прежде чем мы получим сверхпроводники следующего поколения, нужно понять, как работают известные высокотемпературные сверхпроводники", говорит Чарльз Уильям Годдард III (William Goddard III, the Charles) и Мэри Феркел (Mary Ferkel ), профессор химии, материаловедения и прикладной физики Калифорнийского технологического института. "После публикации более 100000 реферативных работ по данной теме, до сих пор нет приемлемого объяснения, и, фактически, за последние 18 лет Т_с не увеличивалось".

Все сверхпроводящие купраты начинают как магнитные изоляторы и превращаются в сверхпроводники через "допирование", процесс, который включает в себя удаление электронов из исходного соединения, или заменой определенных атомов на другие, или путем добавления или удаления атомов кислорода. Тем не менее, никто не знает почему допирование делает эти купраты сверхпроводящими.

За последние четыре года Годдард опубликовал три статьи с Джамилем Таир-Кели (Jamil Tahir-Kheli), старшим научным сотрудником Калифорнийского технологического института, разработав гипотезу, которая дает объяснение тому, что делает купраты сверхпроводящими. Они работали с купратом, в котором атомами стронция (Sr) - "атомы легирующей примеси", заменяли атомы лантана (La). На основании современных квантово-механических расчетов, Годдард и Таир-Кели обнаружили, что каждый атом примеси создает дырку с четырьмя центрами на окружающих стронций атомах меди. Этот блок они называют "плакета" ("plaquette"). Электроны в плакетке формируют мельчайшие кусочки металла, в то время как за пределами плакетки вещество обладает магнитными свойствами. Этот результат полностью противоречит предположениям, сделанным большинством других ученых о том, что происходит, когда добавляются атомы примеси. Оставалась проблема, исследователи не знали, как дырки в плакетке приводят к сверхпроводимости.

Годдарду и Таир-Кели потребовалось пять лет, чтобы понять это. Их гипотеза состоит в том, что когда добавляется достаточно  атомов легирующей примеси, плакетки способны создать фильтрационный путь, который позволяет электронам беспрепятственно двигаться через весь материал. Магнитные электроны за пределами плакетки могут взаимодействовать с электронами, движущимися вдоль пути, и именно это взаимодействие приводит к сверхпроводимости.

Последняя работа исследователей, опубликованная ранее в этом году в журнале Physical Chemistry Letters, развивает гипотезу далее, описывая таинственную фазу, замеченную в сверхпроводниках, и названную псевдощелью (pseudogap). Во всех сверхпроводниках есть сверхпроводящая щели, которая представляет собой количество энергии, необходимой для перевода электрона из сверхпроводящего состояния на более высокий энергетический уровень, не связанный со сверхпроводимостью. Эта энергетическая щель обращается в нуль при температуре, выше которого материал не является сверхпроводником, другими словами, выше Т_с. Но в сверхпроводящих купратах, существует огромный энергетический промежуток, который сохраняется при температурах, намного выше, чем Т_с. Это псевдощель.

Среди ученых есть два лагеря по псевдощельному вопросу. Одни говорят, что псевдощель так или иначе связана со сверхпроводимостью. Другие настаивают на том, что связи нет, и на самом деле это фазы, конкурирующие со сверхпроводимостью. Теория Годдарда и Таир-Кели оставляет их в последнем лагере. "Мы считаем, что псевдощель снижает сверхпроводимость материала", говорит Таир-Кели. "И, еще раз, его происхождение связано с расположением плакеток".

Годдард и Таир-Кели объясняют псевдощель, указывая на плакетки, которые не способствуют сверхпроводимости. Эти плакетки являются изолированными, они не имеют никаких других плакеток непосредственно рядом с собой. Исследователи обнаружили, что существуют два различных квантовых состояния с одинаковой энергией в этих изолированных плакетках. Эти два состояния могут взаимодействовать с ближайшими изолированными плакетками, после чего два различных квантовых состояниях приобретают неравные энергии. Это различие в энергии и есть псевдощель. Поэтому для определения размера псевдощели, все что вам нужно сделать, это сосчитать количество изолированных плакеток и определить, как далеко они друг от друга.

"Электроны псевдощели являются бесполезными, так как они не вносят вклад в сверхпроводимость", говорит Годдард. "Поскольку псевдощель создается изолированными плакетками, если мы будем контролировать местоположение примесей для устранения изолированных плакеток, то сможем увеличить температуру сверхпроводимости".

Годдард и Таир-Кели прогнозируют, что путем тщательного управления размещением атомов легирующей примеси, можно сделать материалы, которые будут сверхпроводящими при температурах вплоть до -73˚C. Они отмечают, что такое улучшение после 18 лет застоя, будет значительным шагом на пути создания подлинно высокотемпературных сверхпроводников с практическим значением для энергетики и здравоохранения.