Физика повседневности. От мыльных пузырей до квантовых технологий

В десятилетие между 1970 и 1980 годами были обнаружены сверхпроводящие материалы, не являющиеся металлами или их сплавами. Это были так называемые оксиды, которые становились сверхпроводниками при довольно низких температурах (около 10 К). Однако от них никто не ожидал и этого: при обычной температуре эти соединения являются весьма посредственными проводниками, с малой концентрацией свободных электронов. Обнаружение сверхпроводимости в этих новых материалах навело двух исследователей из Цюриха на след будущего великого открытия…

8. История роста критической температуры. На линиях графика кружками указаны металлы и сплавы, к которым применима теория БКШ, а белые квадратики соответствуют высокотемпературным сверхпроводящим оксидам. Крестиками обозначены органические сверхпроводники, а треугольниками – сверхпроводники на основе железа, обнаруженные в первом десятилетии XXI века

На берегу Цюрихского озера

Долгожданный прорыв был совершен Карлом Александром Мюллером и Йоханнесом Георгом Беднорцем, когда они работали в лаборатории компании IBM, расположенной в Швейцарии (там же, где была создан первый туннельный микроскоп, см. главу 28, «Взгляд в наномир»). Зимой 1985–1986 годов ученые синтезировали соединение, которое становилось сверхпроводником при 35 К! Его химическая формула может быть записана как La_{2 – x}Ba_xCuO_{4 – δ}, где x и δ являются определенными дробными числами. Статья, опубликованная в 1986 году, была озаглавлена весьма осторожно: «О возможности высокотемпературной сверхпроводимости в системе La−Ba−Cu−O».

Возможность вскоре стала реальностью, и за открытие сверхпроводимости в этом оксиде Мюллер и Беднорц были удостоены Нобелевской премии по физике уже в 1988 году. Они (см. врезку выше) проложили человечеству путь к сверхпроводимости «при высоких температурах» (ее называют так, хотя эти температуры намного ниже 0 °C). Эту эстафету подхватили другие исследователи. Так, буквально через несколько месяцев заменой бария стронцием рекорд критической температуры был поднят до 45 K. Последний держался недолго: еще через месяц было обнаружено, что при высоком давлении критическая температура найденного Мюллером и Беднорцем соединения поднимается до 52 К. В 1987 году американец Пол Чу понял, что эффекта высокого давления можно добиться, заменив атомы лантана на меньшие по размеру атомы его соседа по колонке в таблице Менделеева – иттрия. Синтезировав соединение YBa₂Cu₃O_{7 – δ}, он достиг критической температуры в 92 K – а это уже превысило азотный порог (температуру кипения жидкого азота)! Синтезированные впоследствии новые сверхпроводники достигли критических температур в 125 К и даже (при очень высоком давлении) в 165 K (–108 °C).

Высокотемпературная сверхпроводимость: новая загадка

За прошедшую треть столетия физики нашли огромное число новых сверхпроводящих веществ, критическая температура которых превышает рекордные для 1973 года 23 К (илл. 8).

Их разделяют на несколько групп – перовскиты, пниктиды, MgB₂, органические сверхпроводники, гидриды. Первыми обнаруженными и наиболее изученными на сегодняшний день остаются медные оксиды с примесью иттрия и бария, например YBa₂Cu₃O_{7 – δ} (илл. 9). Все они имеют слоистую структуру: атомы меди Cu и кислорода O образуют плоскости, разделенные другими атомами, в данном случае атомами Ba и Y. Движение носителей заряда почти двумерно: они легко перемещаются в слоях CuO₂, однако при этом редко перепрыгивают с одного слоя на другой. Образующиеся куперовские пары также в основном локализованы в плоскостях.

9. Кристаллическая решетка сверхпроводника YBa₂Cu₃O₇

Механизм высокотемпературной сверхпроводимости пока до конца не изучен. Ключом к пониманию явления, вероятно, является двумерный характер движения электронов. Все согласны, что здесь, как и в случае классической сверхпроводимости, описываемой теорией БКШ, явление обусловлено возникновением куперовских пар. Однако среди ученых нет единого мнения о механизме взаимодействия между зарядами, который приводит к их куперовскому спариванию при столь высоких температурах. В настоящее время существует около 20 более или менее противоречивых теорий. Они в целом далеки от теории БКШ, которая основана на взаимодействии между электронами посредством электрон-фононного взаимодействия.