Сверхпроводимость связали со спин-орбитальным взаимодействием

Международная группа ученых, в состав которой входит химик-синтетик с Химического факультета МГУ имени Ломоносова, впервые экспериментально доказала, что в некоторых соединениях сверхпроводимость может быть связана с таким эффектом, как спин-орбитальное взаимодействие. Работа опубликована в журнале Nature Physics.

Спин-орбитальное взаимодействие — взаимодействие электрона, находящегося на своей орбитали в атоме, и его же собственного спина. Оно вносит вклад практически во все процессы, связанные с электронами в твердом теле и приводит к изменению набора возможных электронных состояний. Спин-орбитальное взаимодействие является релятивистским эффектом — заметно проявляется только при достаточно больших скоростях движения (в квантовой теории говорят об импульсе), то есть в основном в атомах тяжелых элементов. Кроме того, явление анизотропно — его величина зависит от выбора направления в кристалле.

Сверхпроводимость же, как и обычная проводимость — тоже процесс «связанный с электронами». Основным механизмом ее возникновения до недавнего времени ученые считали электрон-фононное взаимодействие — пары электронов обмениваются фононами (квазичастицами, описывающими колебания атомов в решетке), в результате чего возникает их взаимное притяжение. Такое «спаривание» оказывается энергетически выгодным, что в конечном итоге приводит к бездиссипативному, то есть без потерь энергии, течению пар электронов через решетку атомов кристалла. Этот механизм — основа нобелевской теории Бардина-Купера-Шриффера (БКШ).

Но с открытием высокотемпературной сверхпроводимости в медно-оксидных, а затем и в железо-содержащих соединениях, теория БКШ уже не позволяла достоверно описывать экспериментально полученные данные. В результате чего ученые стали выдвигать различные ее модификации, основанные на не-фононных механизмах электронного спаривания — магнонном, экситонном, их комбинаций и многих других. Кроме того, под вопросом остается, какие эффекты в твердом теле способны влиять на сверхпроводящие свойства и как именно. В частности, для одного из открытых классов сверхпроводников — содержащих в своем составе железо — было теоретически предсказано, что на сверхпроводимость в них может влиять спин-орбитальное взаимодействие. Но до текущего момента достоверных экспериментальных доказательств этому не было.

В новой работе авторы смогли привести экспериментальные данные, показывающие, что такое влияние все же имеет место. Для этого ученые вырастили монокристаллы сверхпроводящих арсенидов железа и под разными углами снимали их спектры фотоэлектронной эмиссии. С помощью комбинации таких спектров авторы установили, каким образом меняются возможные варианты электронных состояний от направления в кристалле. Полученные данные ученые сравнивали с теоретическими расчетами, которые учитывали влияние на электронный спектр спин-орбитального взаимодействия.

Сравнение этих величин в зависимости от направления в кристалле позволило увидеть искажения, вызванные спин-орбитальным взаимодействием, и определить величину этого эффекта. Гораздо сильнее он проявлялся у сверхпроводников с наибольшей величиной так называемой «щели» в спектре электронных состояний. Ширина энергетической щели определяет критическую температуру перехода в сверхпроводящее состояние — чем больше щель, тем выше критическая температура (точная зависимость для высокотемпературных сверхпроводников варьируется от материала к материалу, из-за чего данная тенденция может нарушаться). Таким образом, ученым удалось экспериментально определить эффект, значительно влияющий на параметры сверхпроводящего перехода в арсенидах железа.

Сверхпроводники — это вещества, в которых при определенной температуре, называемой критической, электрическое сопротивление обращается в абсолютный ноль, что открывает широкие возможности применения таких материалов, например, для передачи электроэнергии без потери на нагрев проводов. Но температуры, при которых эти вещества «работают», чересчур низкие, и требуют охлаждения жидким азотом или даже дорогостоящим жидким гелием. Попытки выяснить, как повысить критическую температуру сверхпроводников, поставили перед учеными другую задачу — определить, благодаря какому физическому механизму возникает сверхпроводимость, и какие процессы в твердом теле могут влиять на ее характеристики.