Физики увидели возникновение сверхпроводимости в «сэндвиче» из обычных материалов

Магнит, левитирующий над сверхпроводящим диском из иттрий бариевого купрата YBa2Cu3O7, охлажденного до минус 196°C жидким азотом.

Wikimedia Commons

Физики из США смогли впервые напрямую зарегистрировать возникновение сверхпроводимости на границе раздела двух «обычных» фаз арсенида железа кальция CaFe2As2. Несмотря на то, что подобное явление уже удавалось пронаблюдать для других соединений, ученые утверждают, что именно в данном случае им удалось выделить «чистое» явление возникновения сверхпроводимости на границе раздела фаз и, таким образом, доказать одну из неподтвержденных моделей сверхпроводимости. Авторы планируют в дальнейшем применить свой метод для поиска новых, более совершенных и дешевых сверхпроводников. Работа опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America.

Сверхпроводимость — это явление падения сопротивления материала до величин, неотличимых от абсолютного нуля, при температуре ниже некоторой критической. С помощью сверхпроводников 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 (маглевов), левитирующих ховербордов и др.

Основной проблемой для широкого применения сверхпроводников остаются низкие критические температуры, при которых проявляется этот эффект, из-за чего для эксплуатации сверхпроводящих материалов требуется дорогостоящее охлаждение. По мнению ученых, ключ к решению проблемы кроется в изучении новых механизмов сверхпроводимости и способов ее искусственного «создания», которые могут быть реализованы, например, на основе недавно открытого класса железо-содержащих сверхпроводников.

Арсенид железа кальция CaFe2As2 является родоначальником целого семейства сверхпроводников этого класса. Материалы на основе CaFe2As2, в которых часть ионов кальция была заменена редкоземельными элементами (La, Ce, Pr, Ne), обладают относительно высокой критической температурой, вплоть до 49 кельвин (около минус 224 градусов Цельсия).

Однако вопрос о сверхпроводимости в чистом нелегированном CaFe2As2 долго оставался открытым. В одних работах нулевое сопротивление в этом соединении наблюдали только при приложении гидростатического давления (TС∼12  K при 5000 атмосфер). В других работах было показано, что явление наблюдается только в случае негидростатического (т.е. неравномерного) сжатия, а при атмосферном давлении или гидростатическом сжатии данное вещество сверхпроводником не является. Результаты же экспериментов при атмосферном давлении показывали возникновение отдельных «зерен» сверхпроводимости внутри монокристаллического образца.

Казалось, что ситуация начала проясняться, когда ученые обратили внимание на наличие структурных фазовых переходов в CaFe2As2 под давлением. Этот арсенид при небольшом одноосном сжатии испытывает фазовый переход в состояние с немного искаженной кристаллической структурой, который назвали «фазой T’». И возникновение сверхпроводимости какое-то время связывали именно с этой фазой. Однако из-за сложности постановки достаточно точных экспериментов под давлением достоверно подтвердить, что именно T’-фаза ответственна за сверхпроводимость в CaFe2As2, до сих пор не удалось.

Авторы новой работы показали, что и это предположение не является единственно верным. Ученые обратили внимание на другие фазы арсенида CaFe2As2, которые можно получить с помощью отжига и последующего резкого или медленного охлаждения. Научившись «преобразовывать» одну фазу в другую, физики смогли показать, что сверхпроводимость в CaFe2As2 можно получить на границе раздела нескольких разных фаз, которые в чистом виде сверхпроводимости не проявляют.

Так называемую PI-фазу можно получить, если резко охладить CaFe2Asс 850 градусов Цельсия до комнатной температуры, — например, если бросить раскаленные кристаллы в ледяную воду. Полученная PI-фаза не обладала магнитным порядком и «коллапсировала» в другую фазу (cT-фазу, или collapsed tetragonal, с параметром ячейки меньше на 10 процентов, чем в исходной фазе) при низких температурах порядка 100 кельвин (минус 173 градуса Цельсия).

PII-фазу получали, выключая разогретую до 850 градусов Цельсия печь с образцами и ожидая, пока она медленно охладится до комнатной температуры. Полученные кристаллы обладали тетрагональной симметрией с немного отличающимися от PI параметрами решетки. При температуре порядка 168 кельвин (минус 105 градусов Цельсия) новая фаза испытывает фазовый переход, изменяя кристаллическую структуру на орторомбическую (O-фаза). При этом преобразуется не только кристаллическая структура, но и магнитная: орторомбическая фаза обладает дальним антиферромагнитным порядком.

Ученые проверили, что в чистом виде оба образца не проявляют сверхпроводящих свойств вплоть до температур в 2 кельвина (минус 271 градус Цельсия). Затем они воспользовались результатами предыдущих работ по исследованию структурных фазовых переходов в CaFe2As2. Прикладывая давление в 0,34 гигапаскаль к образцу PII-фазы, его можно постепенно перевести в PI фазу. Аналогично, PI-фазу можно перевести в PII низкотемпературным отжигом при 350 градусах Цельсия.

Авторы новой работы воспользовались низкотемпературным отжигом и показали, что изначально обладающий сопротивлением образец PI фазы через некоторое время становится сверхпроводящим, с критической температурой порядка 25 кельвин (минус 248 градусов Цельсия). Пик критической температуры достигается между 4–16 часами отжига, после 22 часов сверхпроводимость исчезает и еще через несколько часов образец полностью переходит в PII-фазу. Таким образом, ученые показали, что сверхпроводимость в CaFe2As2 может существовать «на стыке» двух несверхпроводящих фаз.

По мере отжига ученые извлекали некоторые кристаллы из печи и проводили исследования их кристаллической структуры методами рентгеновской дифракции. В результате измерений физикам удалось доказать, что сверхпроводящие области располагаются на границе между PI и PII фазами. Сам «промежуточный» образец при этом состоит из чередующихся слоев этих двух кристаллических структур, поэтому объем сверхпроводящей «фазы» достигал максимума в той области, где чередований было больше, и уменьшался, когда какая-то из фаз — PI или PII — начинала преобладать в образце.

Авторы считают, что полученные данные являются первым прямым экспериментальным доказательством теории о возникновении сверхпроводимости на границе раздела фаз, которая была предложена еще в 1973 году. Разработкой этой теории занимался, в частности, один из Нобелевских лауреатов по физике 1972 года Джон Бардин — автор единственной на данный момент признанной теории сверхпроводимости (Бардина-Купера-Шриффера-теория).

В разные годы за вклад в исследование сверхпроводимости Нобелевские премии были вручены первооткрывателю явления Хайке Камерлинг-Оннесу (1913), создателю феноменологической теории Льву Ландау (1962), Брайану Д. Джозефсону (1973), открывшему уникальный эффект в сверхпроводниках, названный в его честь, Георгу Беднорцу и Алексу Мюллеру за открытие высокотемпературных сверхпроводников (1987), а также Алексею Абрикосову, Виталию Гинзбургу и Энтони Легетту за теоретические исследования (2003).

Екатерина Козлякова

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.