18 ноября 2017 Г. Нанотехнологии и наноматериалы Российские нанотехнологии STRF.RU регистрация вход

   
Приложение журнала «Российские нанотехнологии» для iPad
Главная / Новости и События / Новости нанотехнологий
Редколлегия
Контакты
Размещение рекламы
Партнёры
форум
В мире НАНО
Реклама

NANONEWSNET

Новости и События

Новости нанотехнологий

06.04.2016   Изучили важнейшие свойства "невозможных" сверхпроводников

Специалисты физического факультета МГУ провели исследование, в котором оценили возникновение сверхпроводящего состояния в железосодержащих сверхпроводниках с двумя энергетическими щелями. Сообщение о своей работе ученые опубликовали в последнем номере журнала Journal of Superconductivity and Novel Magnetism.

Группа российских ученых, возглавляемая физиками из МГУ имени М.В. Ломоносова, впервые в мире сумела достоверно и напрямую измерить энергетические щели целой серии сверхпроводников, в первую очередь, содержащих железо. По словам Светослава Кузьмичёва, возглавляющего это исследование, результаты данной работы позволят снять некоторые вопросы, касающиеся возникновения сверхпроводимости в железосодержащих материалах.

В этом эксперименте физиков в первую очередь интересовало измерение характеристик двух энергетических щелей (их еще называют зонами или параметрами порядка) – под которыми понимается диапазон энергий (или, что то же самое, температур), при которых в материале возникает сверхпроводимость. С 1957 года, когда американские физики Джон Бардин, Леон Купер и Роберт Шриффер сформулировали свою объясняющую эффект сверхпроводимости теорию (теория БКШ, удостоенная Нобелевской премии по физике за 1972 год), такая щель была только одна: от нуля до температуры перехода в сверхпроводящее состояние. Но эта ситуация просуществовала недолго – уже в 1959 году о возможном существовании двухзонных сверхпроводников заговорили советский физик В.А. Москаленко и его коллега из США Г. Сул. Ученые независимо друг от друга создали системы уравнений, описывающих механизм подобной сверхпроводимости, однако экспериментально первый двухзонный сверхпроводник – довольно простой по химическому составу диборид магния – был обнаружен только в начале этого века, в 2001 году.

Диборид_магния
Диборид магния. Источник: Material Scientist, CC BY-SA 3.0


Физики к тому времени сомневались в реализуемости двухщелевой сверхпроводимости. Что-то новое, не укладывающееся в привычные рамки, всегда является тяжёлой психологической ношей для исследователей, работающих в любом направлении науки. Чтобы облегчить этот "груз", в научном сообществе, занимающемся проблемами физики сверхпроводимости, повелось рассматривать диборид магния в качестве исключения, подтверждающего правило.

Однако спустя всего семь лет, в 2008 году, двухщелевой феномен сверхпроводимости был открыт и подтверждён экспериментально в железосодержащих материалах. Сверхпроводящее "железо" начали исследовать  во многих лабораториях мира, счет материалов с двумя энергетическими щелями пошел на десятки, и исключение превратилось в правило. Этот сюрприз, преподнесенный железосодержащими сверхпроводниками, оказался не единственным – восемь лет назад, к моменту их открытия, считалось, что их просто не может существовать, поскольку магнитное поле губит сверхпроводимость. С момента появления теории БКШ отсутствие магнитных атомов в сверхпроводнике казалось непреложным условием.

Согласно этой теории, сверхпроводимость возникает за счет взаимодействия электронов и колебаний кристаллической решетки, в результате чего электроны с разнонаправленными спинами объединяются в так называемые куперовские пары (соответственно, с нулевым суммарным спином) и получают возможность двигаться без столкновения с решеткой. Поскольку спин представляет собой магнитный момент частицы, то в присутствии магнитных взаимодействий сохранить нулевой суммарный спин не представляется возможным. По словам первого автора статьи старшего научного сотрудника физического факультета МГУ Светослава Кузьмичёва, это неоднократно подтверждалось в экспериментах с обыкновенными сверхпроводниками. Если ученые вносили в сверхпроводник небольшую магнитную примесь или заменяли в его структуре какой-нибудь из атомов на ферромагнитный, сверхпроводимость резко ухудшалась вплоть до полного исчезновения.

После открытия железосодержащих проводников этот новый класс материалов сразу стал главным объектом интереса физиков, занимавшихся сверхпроводимостью. До этого они больше интересовались высокотемпературными купратами (сверхпроводниками, содержащими медь) и двухщелевым диборидом магния. За восемь последующих лет количество сверхпроводников на основе соединений железа с мышьяком или селеном, равно как и количество возможных объяснений "железной" сверхпроводимости, превысило количество всех найденных сверхпроводящих купратов, но до сих пор четкого понимания происходящего нет.

«Удалось выяснить, что именно блоки железо-мышьяк или железо-селен ответственны в этих соединениях за возникновение сверхпроводимости, — комментирует Светослав Кузьмичёв. — Практически все исследователи согласны с тем, что, хотя внешнее магнитное поле в них подавляется, внутри этих блоков его флуктуации в виде квазичастиц магнонов вполне могут существовать и с большой вероятностью принимать участие в формировании сверхпроводящего состояния. Но дело это настолько новое, и мы знаем на сегодня настолько мало, что практически ни один из предложенных механизмов формирования здесь сверхпроводимости пока не удается ни подтвердить, ни опровергнуть».

Сложностей добавляет и то, что железосодержащие сверхпроводники – многощелевые. Это обстоятельство чрезвычайно осложняет понимание и без того непростых процессов, сопровождающих феномен сверхпроводимости, несмотря на существование уже упомянутых уравнений Москаленко и Сула.

На основе этих уравнений ученые рассчитали особенности температурного поведения двух сверхпроводящих щелей для целого спектра железосодержащих сверхпроводников и "нежелезного" диборида магния (с частичным замещением магния на алюминий), затем впервые в мире провели прямые экспериментальные измерения этих зависимостей и в результате обнаружили хорошее соответствие между своими расчетами и данными измерений. К тому же им удалось оценить, что вносит в формирующуюся в них сверхпроводимость наибольший вклад – межзонное или внутризонное спаривание. Иначе говоря, они выяснили, насколько сильной связью обладают куперовские пары, которые создаются объединением электронов из одной и той же зоны и из разных зон. По словам Кузьмичёва, это особенно важно для понимания механизмов "железной" сверхпроводимости.

«До сих пор подобные оценки характеристик щелей основывались на косвенных измерениях, – говорит ученый. — Измеряли, например, зависимость от температуры других параметров сверхпроводящего состояния, а потом экстраполировали результат для определения энергетических щелей. Это были довольно приблизительные измерения, а в случае двух щелей их точность, грубо говоря, становится плюс-минус километр. Профессор физического факультета МГУ Ярослав Пономарев (1938-2015 гг.) на основе уже существующей развил методику, с помощью которой мы впервые в мире сумели измерять непосредственно сами энергетические щели высокотемпературных сверхпроводников при любых температурах вплоть до критической температуры сверхпроводящего перехода, минуя процедуру косвенных измерений. Это наше главное ноу-хау, которое позволило нам оценить силу межзонного и внутризонного спаривания электронов. В результате нами было показано, что определяющую роль в механизме сверхпроводимости диборида магния и железосодержащих сверхпроводников играет внутризонное спаривание носителей. Между собой конденсаты взаимодействуют слабее, при этом в дибориде магния межзонное взаимодействие намного слабее, чем в железосодержащих сверхпроводниках». 

Кузьмичёв надеется, что эта работа несколько прояснит ситуацию с возникновением "железной" сверхпроводимости. И хотя на сегодня в отношении критических температур эти сверхпроводники пока уступают купратам – если максимальная температура перехода в сверхпроводящее состояние, зафиксированная на пленках железа с селеном, составляет примерно 85К, то для медных сверхпроводников она доходит до 135 К, – главным достоинством "железных" сверхпроводников Кузьмичёв считает небывало высокую плотность тока, которую они могут пропускать. 

«Они могут нести ток на порядок-два выше, чем купраты и даже ниобий и его сплавы, применяемые сегодня в сверхпроводящих магнитах для генерации очень высоких полей на мощных ускорителях и токамаках. Сравниться с ними сегодня не может ни один сверхпроводник, разве что борид магния, который может при очень хорошей чистоте пропускать токи плотностью до миллиона ампер на квадратный сантиметр. В лабораторных условиях, конечно, эти цифры проверить нельзя, но по имеющимся оценкам такие плотности тока вполне достижимы на "железных" образцах. Так что, я думаю, в этом смысле им скоро не будет альтернативы», — заключает ученый.

Кузнецов Андрей

STRF.ru



обсудить публикацию

версия для печати



ай вао
Интервью

Композиты на острие 3D-принтинга


Учёные СПбПУ и Сколтеха разрабатывают «софт» и «железо» для трёхмерной печати композиционных изделий

читать полностью читать полностью




Acta Naturae



© ООО «Парк-медиа», 2007-2008

Разработка - Metric

Все права защищены
Рейтинг@Mail.ru Rambler's Top100