Уходящий 2011 год назван годом сверхпроводимости – есть повод. О надеждах, возлагаемых на ближайшее сверхпроводящее будущее, рассказывает один из активных игроков на поле, в своё время аспирант Теоретического отделения ФИАН, а ныне академик РАН, заведующий лабораторией теоретической физики Института электрофизики УРО РАН Михаил Виссарионович Садовский.

2011 год – год столетия открытия явления сверхпроводимости.

В 1911 году Камерлинг-Оннес обнаружил, что при понижении температуры ниже некоторой критической электрическое сопротивление ртути обратилось в ноль. Далее было доказано, что сопротивление в этом новом, названном сверхпроводящим, состоянии действительно отсутствует, а не просто очень маленькое. Также было показано, что сверхпроводящее состояние свойственно большинству металлов, причем критическая температура у каждого металла своя.

Понимание природы сверхпроводящего состояния было достигнуто лишь в 50-х годах 20 века: Гинзбург и Ландау создали макроскопическую, а Бардин, Купер и Шриффер – микроскопическую теорию сверхпроводимости.

Далее пришёл черед практическим применениям сверхпроводимости, в 60-х годах появились первые сверхпроводящие провода, однако хотелось бы, чтобы критическая температура сверхпроводимости была побольше: 4,2 градуса Кельвина у ртути и даже до 20 градусов над абсолютным нулём у лучших проводов на основе традиционных сверхпроводников – слишком холодно.

Около 25 лет назад были открыты высокотемпературные сверхпроводники на основе меди. Новые соединения отличались и новой температурой сверхпроводящего перехода – недостижимыми до этого почти 100 К. Это открытие не только было тут же увенчано Нобелевской премией, но и настолько вдохновило научное сообщество, что количество публикаций по теме за год возросло в сотни раз.

«Например, у нас в Свердловске купраты были синтезированы на основании информации из местных газет, мы это сделали даже несколько раньше, чем в Москве. Купраты моментально были синтезированы практически во всех основных советских физических центрах, они крайне активно изучались, а новые работы появлялись одна за другой. Причем люди занимались этим делом с энтузиазмом, испытывали надежды, и все мы эти год-два, 1987–88, вспоминаем как время необычайного подъема и энтузиазма. Тогда я как теоретик получал новые данные от экспериментаторов буквально из соседней комнаты. Обычно теоретики в поисках новой информации читают журналы и препринты, а тут можно было узнать что-то существенно новое, просто встретив коллегу в коридоре института», – рассказывает Михаил Виссарионович.

Рис. 1. Михаил Виссарионович Садовский.

Однако далеко не все надежды, возлагаемые на купраты, оправдались. Так, споры о том, какова же физическая природа этих сверхпроводников – уже привычная теория Бардина-Купера-Шриффера (БКШ) или что-то принципиально новое – ведутся до сих пор.

В соответствии с теорией БКШ сверхпроводимость возникает при «склеивании» электронов металла в пары, а «клей» – это взаимодействие электронов с колебаниями кристаллической решетки металла, фононами.

«Когда речь идет о высокотемпературных сверхпроводниках, самыми яркими представителями которых являются купраты, то основной спор происходит вокруг того, каков клей, обеспечивающий образование пар. Моделей очень много, если делить грубо, то есть по-прежнему электрон-фононная модель, а есть модель, основанная на роли спиновых флуктуаций, то есть фактически магнитный или антиферромагнитный механизм спаривания. Моя точка зрения состоит в том, что в смысле максимально общей структуры уравнений сверхпроводимости, это та же самая модель БКШ, но, конечно, тонкие детали, такие как механизм спаривания и разновидность куперовских пар, там другие. Эти детали и обуславливают особенности систем».

До недавнего времени, из коллективных возбуждений в сверхпроводящих купратах, хорошо видели только фононы, но с появлением нового экспериментального метода – неупругого рассеяния рентгеновских лучей (новый метод измерения свойств элементарных возбуждений, хорошо дополняющий неупругое рассеяние нейтронов) – увидели и магнитные возбуждения. Так что сказать, что там реально работает, на сегодняшний день сложно.

Что касается общей формулировки явления сверхпроводимости, то куперовское спаривание существует в очень большом количестве физических систем – в ультрахолодных газах, низко- и высокотемпературных сверхпроводниках, и даже в атомных ядрах и кварк-глюонной плазме можно ввести понятие о куперовском спаривании и критической температуре.

«Общая идеология или модель БКШ работает во всех перечисленных системах, то есть основные уравнения очень похожи. Другое дело, что отличаются механизмы спаривания. Например, в низкотемпературных сверхпроводниках работает электрон-фононный механизм, с этим согласны все. Но есть примеры сверхпроводников с очень низкими температурами перехода, например, SrRu₂O₄, где наблюдается совершенно аномальное спаривание – так называемые триплетные куперовские пары с ненулевым орбитальным моментом. Теоретики убеждены, что там работает не фононный, а магнитный механизм спаривания».

3 года назад были открыты новые соединения, так называемые пниктиды и халькогениды железа. С их появлением была разрушена монополия купратов, существовавшая в физике ВТСП-соединений более 20 лет, поэтому даже несмотря на отнюдь не рекордные температуры – около 50К у пниктидов и около 30К у халькогенидов, их открытие – это значительное событие в физике сверхпроводников.

«Почти 25 лет изучались одни купраты, казалось, что плоскость CuO2, с аномальной температурой перехода, уникальна. Но с появлением пниктидов и халькогенидов оказалось, что есть не менее богатый по разнообразию свойств набор систем, которые можно всячески легировать, пытаться немного менять структуру, синтезировать аналоги. Кстати говоря, само железо – удивительная вещь, так как если во что и верили, так это в то, что на основе железа вообще сверхпроводимости никакой не может быть, а тут оказалось, что там вся сверхпроводимость держится на ионах железа. В этом смысле они сильно отличаются от купратов, и это наводит на мысль, что на самом деле соединений с достаточно высокой температурой сверхпроводящего перехода может быть еще больше», – подытоживает Михаил Садовский.

Рис. 2. Атомное строение высокотемпературных сверхпроводников: LaOFeAs (пниктид железа), FeSe (халькогенид железа), YBaCuO (купрат).

Механизм спаривания в соединениях на основе железа – еще менее ясная картина. Теоретические расчеты, основанные на первопринципных методах расчета энергетических спектров твердых тел, показывают, что электрон-фононное взаимодействие там недостаточно сильное. Реально механизм спаривания пока неизвестен, возможно, что это тоже работают магнитные флуктуации, но есть и возражения. К тому же оказалось, что новые халькогениды железа сильно отличаются от пниктидов в плане электронной структуры, и по некоторым признакам являются довольно сильными антиферромагнетиками, а высокотемпературных сверхпроводников, находящихся одновременно в антиферромагнитном состоянии, еще не было.

Таким образом,

во второе столетие сверхпроводящей эры мы переходим как с новыми результатами, так и с новыми вопросами.

Методы вычислительной физики твердого тела или так называемые первопринципные расчеты, в которых, кстати говоря, весьма сильны российские теоретики, – важная составляющая средств решения этих вопросов, однако

предсказательной способностью физическая теория не обладает, поэтому первоочередной упор нужно делать на экспериментальную работу и наращивание технологической базы. Россия в этом плане пока отстает, однако после окончания работ по реконструкции и обустройству объединенной Лаборатории высокотемпературной сверхпроводимости, размещенной на территории Физического института им. П.Н. Лебедева РАН, шансы занять лидирующие позиции у нас есть.

Предполагается, что к 2015 году Лаборатория станет одним из крупнейших мировых научных центров в области сверхпроводимости.