Ученые обнаружили дважды «нетипичный» сверхпроводник

Сверхпроводник, левитирующий за счет эффекта Мейснера.

Wikimedia Commons

Исследователи из Великобритании обнаружили «нетипичную» сверхпроводимость в одном из соединений переходных металлов — германиде железа YFe2Ge2. Термин «нетипичный» в данном случае означает, что его свойства не описываются стандартной, нерасширенной моделью сверхпроводимости Бардина-Купера-Шриффера. По мнению ученых, это соединение также выделяется своими свойствами не только среди классических сверхпроводников, но и среди других «нетипичных». Работа опубликована в журнале Physical Review Letters.

Сверхпроводники — это материалы, которые при определенной температуре, называемой критической (TC), испытывают резкий скачок сопротивления до значений, неотличимых экспериментально от нуля. Таким образом, с их помощью становится возможной передача электричества без потерь энергии на нагрев проводов. А другое явление, которое неразрывно связано со сверхпроводимостью — эффект Мейснера — может стать основой для конструирования поездов на магнитной подушке.

Основной проблемой для широкого применения сверхпроводников остаются низкие критические температуры, при которых проявляется эффект, из-за чего для их эксплуатации требуется дорогостоящее охлаждение. По мнению ученых, ключ к решению проблемы кроется в изучении новых «нетипичных» механизмов сверхпроводимости.

Согласно классической теории Бардина-Купера-Шриффера критическая температура не должна превышать предела около 40 кельвин (—233 °C). Теория основывается на электрон-фононном механизме сверхпроводимости: слабом взаимодействии электронов проводимости с квазичастицами-фононами (квантами колебательного движения атомов кристаллической решетки). В результате этого взаимодействия электроны образуют так называемые куперовские пары, которые и ответственны за возникновение сверхпроводимости.

Однако различные расширения БКШ-теории могут предсказывать и более высокие критические температуры, например, если они учитывают возможность сильного электрон-фононного взаимодействия. После накопления экспериментальных фактов по высокотемпературным сверхпроводникам появились и другие версии механизмов: магнонный, экситонный, биэкситонный, поляронный, биполяронный и так далее. Они рассматривают возможность образования куперовских пар за счет взаимодействий электронов не с колебаниями решетки, а с другими квазичастицами в твердом теле. Такие сверхпроводники, которые не удается описать классической теорией БКШ, называют «нетипичными».

Именно «нетипичные» сверхпроводники обладают самыми высокими зарегистрированными критическими температурами TC при нормальных условиях. До сих пор рекордсменом является соединение HgBa2Ca2Cu3O8+x с TC около 133 кельвинов (—140 °C) при атмосферном давлении. Превысить эту критическую температуру на данный момент удалось только одному соединению — сероводороду (TC около 203 кельвина или −70°С). Однако H2S переходит в сверхпроводящее состояние лишь при высоких давлениях порядка 153 гигапаскалей.

В новой работе ученые увидели предпосылки «нетипичности» в сверхпроводящих свойствах германида железа YFe2Ge2 (TC порядка 1,8 кельвин (около −271,3°С)). Вначале авторы провели измерения термодинамических и проводящих свойств YFe2Ge2 и выявили их несоответствие классической теории сверхпроводимости. Затем они воспользовались данными теоретических расчетов, и сравнили электронную структуру германида железа с похожим по кристаллическому строению слоистым сверхпроводником KFe2As2

Оказалось, что несмотря на сходство в кристаллическом строении, поверхность Ферми, описывающая поведение электронов в твердом теле, у этих соединений различна. В случае большинства слоистых арсенидов железа она обладает двумерной геометрией, а в YFe2Ge2 — трехмерной. При этом поверхность Ферми германида скорее похожа на электронную структуру арсенида KFe2As2 под давлением.

Зачастую ученые связывают «нетипичность» сверхпроводимости в слоистых арсенидах и других сверхпроводниках именно с двумерностью геометрии поверхности Ферми. Но в данном случае ученые нашли признаки несоответствия классической теории БКШ у соединения с 3D поверхностью Ферми. Авторы работы считают, что этим данное соединение выделяется среди других «нетипичных» сверхпроводников — слоистых купратов, пниктидов и арсенидов железа. И хотя выявить точный механизм сверхпроводимости ученым не удалось, уже существуют теоретические модели, которые предсказывают возможность различных вариантов куперовского спаривания в них: от влияния магнитной подсистемы до экзотической триплетной сверхпроводимости.

Екатерина Козлякова

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.