Високотемпературна надпровідність (ВТНП)

Перші надпровідники зберігали свої унікальні властивості при нагріванні аж до температур порядку 20K (двадцять градусів вище абсолютного нуля). Довгий час це вважалося температурним межею надпровідності. Однак у 1986р. співробітники швейцарської лабораторії комп’ютерної фірми IBM Георг Беднорц (Georg Bednorz, р.1950) і Олександр Мюллер (Alexander M? ller, р.1927) відкрили сплав, надпровідні властивості якого зберігаються і при 30K. Сьогодні ж науці відомі матеріали, що залишаються сверхпроводниками навіть при 160К (тобто трохи нижче -100C). При цьому загальноприйнятої теорії, яка пояснювала б цей клас високотемпературної надпровідності, досі не створено, але цілком зрозуміло, що в рамках теорії БКШ її пояснити неможливо.
Розглянутий у рамках теорії БКШ механізм переходу в надпровідний стан заснований на межелектронного взаємодії через теплові коливання кристалічної решітки. Як показують оцінки, для такого механізму надпровідності, званого фононною, максимальна величина критичної температури не може перевищувати 40К.
Для реалізації високотемпературної надпровідності (з> 90К) необхідно було шукати інший механізм кореляції електронів. Один з можливих підходів описаний американським фізиком Літтлом. Він припустив, що в органічних речовинах особливої ​​будови можлива надпровідність при кімнатних температурах. Основна ідея полягала в тому, щоб отримати своєрідну полімерну нитку з регулярно розташованими електронними фрагментами. Кореляція електронів, що рухаються уздовж ланцюжка, здійснюється за рахунок поляризації цих фрагментів, а не кристалічної решітки. Оскільки маса електрона на кілька порядків менше маси будь-якого іона, поляризація електронних фрагментів може бути сильнішою, а критична температура – вищою, ніж при фоновому механізмі.
В основі теоретичної моделі високотемпературної надпровідності (ВТНП), розробленої академіком В.Л. Гінзбургом, лежить так званий екситонні механізм взаємодії електронів. Справа в тому, що в електронній системі існують особливі хвилі – екситон. Подібно фононам, що описує теплові коливання решітки, екситони є квазічастинками, що переміщаються по кристалу, не пов’язаними з перенесенням електричного заряду і маси. Модельний зразок такого надпровідника являє собою металеву плівку в шарах діелектрика або напівпровідника. Електрони провідності, що рухаються в металі, відштовхують електрони діелектрика, тобто оточують себе хмарою надмірного позитивного заряду, який і призводить до утворення електронної пари. Такий механізм кореляції електронів пророкує досить високі значення критичної температури ().
Сама ідея ВТНП в органічних сполуках була висунута ще в 1950р. Лондоном і лише через 14 років Літтл і Гінзбург, незалежно один від одного, теоретично довели можливість ВТНП в неметалевих системах. Роботою Беднорц і Мюллера розпочався наступний етап розвитку ВТНП. Число публікацій з проблеми ВТНП, що з’явилися після 1986р., Істотно перевищує повне число взагалі всіх попередніх публікацій з надпровідності, починаючи з 1911р. Більш того, після відкриття надпровідності в купратних з’єднаннях з ітрієм (YBCO) з ~ 90К і ртуттю з ~ 135-160К проблема ВТНП з чисто наукової перетворилася на практично значиму, завдяки можливості вкрай важливих технічних додатків. Ця обставина і стало, в основному, причиною потужного потоку фінансів і нових дослідників у цю область.
Основними досягненнями першого етапу можна вважати наступні результати:
чітке і ясне усвідомлення того, що крім добре відомого електрон-фононного механізму надпровідності, обумовленого межелектронного тяжінням за рахунок обміну фононами, можуть існувати й інші механізми, пов’язані з межелектронного кулонівським взаємодією;
доказ відсутності яких-небудь строгих, на рівні закону природи, обмежень на можливе значення критичної температури надпровідного переходу. Протилежне твердження було висунуто дуже авторитетними фахівцями в теорії надпровідності Андерсоном і Коеном і, безумовно, зробило негативний вплив на розвиток досліджень з проблеми ВТНП; докази того, що високі значення можуть бути отримані тільки в системах з сильними ефектами локального поля, тобто в системах з сильною взаємодією;
виконаний детальний аналіз різних факторів, що визначають при фононному механізмі надпровідності
Новий етап розвитку проблеми ВТНП, крім самого факту експериментального виявлення відповідних систем і вже згадуваної масштабності досліджень, мав ряд інших відмінностей, у тому числі і в теоретичних підходах. Як уже зазначалося, досить давно стало ясно, що високі значення можуть мати тільки системи з сильним взаємодією. На першому етапі достатньої уваги вивченню таких ВТНП-систем не приділялося. Основна ж частина досліджень другого етапу пов’язана саме з вивченням ефектів сильного обмінно-кореляційного взаємодії та їх проявів як у нормальному, так і надпровідного стану.
Велика частина теоретичних робіт пов’язана з моделлю Хаббарда, в якій основну роль грає сильне кулонівське відштовхування електронів на одному центрі. Саме в рамках моделі Хаббарда було запропоновано дві найбільш радикальні ідеї про природу ВТНП в купратах, засновані на моделі так званих резонансних валентних зв’язків. Фактично, ці ідеї значною мірою спираються на результати, отримані для одновимірних моделей взаємодіючих електронів. У них низькотемпературне поведінку електронів різко відрізняється від стандартного поведінки в тривимірних системах. Електрон, що володіє зарядом і спіном, перестає бути добре певним порушенням. Відбувається так зване поділ заряду і спина. У такій моделі спін переноситься незарядженими возбуждениями, а заряд – безспіновимі возбуждениями. Подібну систему називають латтінжеровской рідиною.
Основна ідея про сутність ВТНП-систем, що розвивається Андерсоном, полягає в тому, що електронна система в таких з’єднаннях являє собою саме латтінжеровскую рідина як у нормальному, так і в надпровідного стану.
Відмінність ідеї, запропонованої Лафлін з співавторами, від підходу Андерсона полягає у використанні дробової статистики для опису низькоенергетичних збуджень в ВТНП-системах. Це означає, що відповідні порушення не є ні бозонами (як, наприклад, фонони), ні фермионами (як самі електрони). У квантовій теорії поля для них використовується термін «аніони». Істотно при цьому, що аніонна теорія призводить до порушення симетрії щодо звернення часу, оскільки в системі фактично виникають спонтанні магнітні потоки. На жаль, експериментальні дані спростовують таку можливість. Теорія ВТНП-систем Андерсона також не викликає ентузіазму у більшої частини дослідників.
Значна частина теоретичних досліджень ВТНП-з’єднань на другому етапі, як, втім, і на першому, зводиться до досить стандартною процедурою. Розглядається система квазічастічних електронних збуджень, тільки замість фононів і екситонів, що призводять до межелектронного тяжінню і спаровування, вводиться щось інше. Це можуть бути спінові флуктуації, утворення «спінових мішків», специфіка зонної структури і т.п.
Єдина відмінність другого етапу – це більш детальне дослідження моделей, заснованих на існуванні сильного межелектронного відштовхування. Дослідникам вдалося досить глибоко просунутися в цій проблемі, проте, все ще не вирішені проблеми, пов’язані з поведінкою ВТНП-систем як в нормальному, так і в надпровідному станах. Залишається багато питань, на які в даний момент немає чітких і ясних відповідей, включаючи і питання про конкретний механізм спільного впливу електрон-фононної взаємодії і кулонівського відштовхування на межелектронного спаровування. І так далі … Але все це не заважає нам практично застосовувати явище надпровідності.

Посилання на основну публікацію