В сверхпроводнике нашли двойную инверсию эффекта Холла выше критической температуры

Физики экспериментально исследовали свойства тонких пленок из высокотемпературного сверхпроводника и обнаружили в них двойное изменение знака коэффициента Холла с уменьшением температуры, причем одно из них происходило еще до достижения критической температуры перехода. Это подтверждает созданную более 20 лет назад теорию о поведении высокотемпературных сверхпроводников, которую до этого невозможно было проверить из-за технологических ограничений. Авторы считают полученные результаты справедливыми для всех сверхпроводников, что может помочь продвинуть понимание этого феномена. Статья опубликована в журнале Physical Review Letters.

Сверхпроводимость — это макроскопическое квантовое явление, заключающееся в фазовом переходе некоторых материалов ниже определенных температур в новое состояние, в котором они проводят электрический ток без сопротивления. Сегодня известно множество различных сверхпроводников, к которым относятся как чистые вещества из одного химического элемента, так и сложные соединения.

Полноценной теории сверхпроводимости на данный момент нет. В частности, это затрудняет поиск веществ со все большей критической температурой, ниже которой наступает фазовый переход. Сегодня рекордные значения температур находятся в области 140 кельвин (порядка -140 градусов Цельсия) для нормальных условий и около 203 кельвин (-70 градусов Цельсия) при высоких давлениях.

Эффект Холла — это возникновение поперечной разности потенциалов в проводнике, находящемся в магнитном поле. В простейшем случае это явление объясняется силой Лоренца, действующей со стороны магнитного поля на носители зарядов в токе. Она отклоняет заряды в ту или иную сторону в зависимости от их знака, что приводит к их накоплению у краев проводника и появлению разности потенциалов. В зависимости от типа носителей заряда в конкретном веществе эффект Холла может быть положительным или отрицательным.

Сверхпроводимость специфическим образом взаимодействует с эффектом Холла, приводя к его инверсии при переходе вещества в сверхпроводящее состояние. В результате холловское сопротивление и величины соответствующих потенциалов меняют знак, как будто в веществе сменился тип носителей заряда. Несмотря на то, что эффект Холла нашел множество технологических применений, в том числе как метод исследования потенциальных сверхпроводников, физическая суть инверсии оставалась не до конца понятной.

В 1995 году Михаил Фейгельман, Вадим Гешкенбейн, Анатолий Ларкин и Валерий Винокур опубликовали теоретическую статью, в которой подробно изучили вопрос инверсии эффекта Холла в высокотемпературных сверхпроводниках. В работе рассматривалось влияние возникающих в сверхпроводнике магнитных вихрей на движение электронов. Однако в получившиеся выражения входило множество параметров, которые было невозможно определить из эксперимента на существовавшем тогда уровне развития науки, из-за чего результат было невозможно проверить.

Коллектив ученых из США, Японии и России с участием Валерия Винокура в новой работе экспериментально исследует тонкие пленки высокотемпературного сверхпроводника из класса висмут-стронций-кальциевых купратов (BSCCO) Bi2.1Sr1.9CaCu2.0O8+δ. Физики подробно изучили эффект Холла в зависимости от количества слоев в образце и внешней температуры. Уменьшение толщины позволило получить квазидвумерный материал, в котором влияние интересовавших авторов эффектов увеличивается.

Одним из непроверенных ранее предсказаний теории было наличие инверсии эффекта Холла вне области сверхпроводимости. Для наиболее детально изученного случая материала толщиной в две элементарные ячейки, для которого критическая температура перехода составляет 81 кельвин, инверсия наблюдалась также и на 5 кельвинах выше этой температуры. Полученные данные впервые предоставили возможность количественной проверки теории 1995 года. Результаты экспериментов оказались в согласии с теоретическими предсказаниями.

Также ученые отмечают, что синтез использованных тонких пленок сверхпроводников является отдельным технологическим достижением, на осуществление которого физикам потребовалось пять лет. Они считают, что подтверждение старой теории о влиянии магнитных вихрей продвинет понимание электронных свойств, в особенности в случае высокотемпературных сверхпроводников

Физики раньше уже добивались контролируемой инверсии эффекта Холла — для этого они использовали микроструктурированную кольчугу, которая представляла собой метаматериал, имитирующий другой тип носителей заряда. В другой работе физики научились закручивать магнитные вихри для спинтроники.

Тимур Кешелава

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.