Российские исследователи из Института теоретической физики им. Л. Д. Ландау, Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе и Петербургского института ядерной физики ищут возможности повышения критической температуры сверхпроводников. В статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters, они говорят о влиянии упорядоченности структуры материалов на сверхпроводящие свойства. В рамках работы рассмотрены приближения двумерных и трёхмерных систем.

Если температура сверхпроводящего материала ниже критического значения, а напряжённость магнитного поля и сила протекающего тока не превышают критических, тогда он обладает строго нулевым электрическим сопротивлением.

Выделяют две группы сверхпроводников:

• низкотемпературные, для которых критическая температура не превышает 30–40 К, и
• высокотемпературные с характерными значениями перехода 100–150 К.

Они уже активно используются в составе сверхсильных магнитов, например для магнитно-резонансной томографии.

Широко исследуются также возможности создания линий электропередачи с нулевыми потерями и быстродействующей электроники на основе сверхпроводников.

Конечно, для функционирования подобных устройств необходимо поддерживать сверхнизкие температуры, поэтому поиск способов увеличения критической температуры сверхпроводников – одна из самых актуальных задач современной науки и техники.

Вскоре после появления микроскопической теории Бардина-Купера-Шриффера, объясняющей явление сверхпроводимости, внимание учёных переключилось на вопросы влияния микроскопического порядка на сверхпроводящие свойства. В том числе и влияния эффекта локализации Андерсона – разобщения электронного облака и локализации электронов около отдельных не упорядоченных центров в материалах со случайной решёткой (например, аморфных или сильно легированных).

Окончательно связать явления микроскопического порядка и сверхпроводимости ещё не удалось, но очередной большой шаг в данном направлении сделан, и в этом заслуга российских физиков.

В статье, опубликованной в Physical Review Letters, они рассказали о разработке модели, описывающей взаимодействие сверхпроводимости и эффекта локализации Андерсона неупорядоченных систем в приближении близкодействующих сил.

Таким образом,

из рассмотрения были устранены дальнодействующие кулоновские взаимодействия.

В ходе исследования физики изучили двумерное приближение и продлили полученное решение на трёхмерный случай. Основным результатом работы стало предсказание роста критической температуры с реализацией в материале случая локализации Андерсона. Интересно, что микроскопический беспорядок в системе, обеспечивающей переход Андерсона, также приводит и к значительному возрастанию электрического сопротивления, а значит, превращению проводника в изолятор. Таким образом,

свойства сверхпроводимости и проводимости в некотором роде оказываются противоположными друг другу.

Полученные теоретические результаты позволяют развить методы создания новых сверхпроводящих материалов, работающих при высоких температурах. И, возможно, даже достичь предела мечтаний теоретиков и практиков – получить сверхпроводимость при комнатной температуре. Правда, сначала стоит решить весьма сложный вопрос – как на практике исключить влияние дальнодействующих кулоновских взаимодействий.

Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ, Российского президентского гранта, программ РАН «Квантовая физика конденсированных сред» и «Основы фундаментальных исследований нанотехнологий и наноматериалов», Министерства образования и науки РФ и европейских программ EUROHORCS/ESF.

Источник информации:

I. S. Burmistrov, I.V. Gornyi, and A. D. Mirlin Enhancement of the Critical Temperature of Superconductors by Anderson Localization. – Physical Review Letters. – 2012. – N108(1).