Ученые обнаружили дважды «нетипичный» сверхпроводник

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 (T_C), 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 T_C при нормальных условиях. До сих пор рекордсменом является соединение HgBa₂Ca₂Cu₃O_8+x с T_C около 133 кельвинов (—140 °C) при атмосферном давлении. Превысить эту критическую температуру на данный момент удалось только одному соединению — сероводороду (T_C 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 (T_C 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.