О природе высокотемпературной сверхпроводимости

Бобков Александр Михайлович

Даже те, кто далеки от науки, слышали о сверхпроводимости. Суть этого явления, которое было открыто около ста лет назад, заключается в том, что у некоторых материалов при достаточно низких температурах отсутствует электрическое сопротивление. Такие сверхпроводники отталкивают от себя магнитное поле. Именно на этом основан эффектный демонстрационный опыт, когда маленький магнит левитирует, то есть парит, над сверхпроводником без всякой поддержки.

Долгое время физики не могли объяснить это явление, да и практического применения ему не находилось. Но к середине прошлого века ученые наконец-то смогли понять природу сверхпроводимости. Стало ясно, что и промышленности очень нужны такие материалы. Однако использовать сверхпроводимость не удавалось по техническим и экономическим причинам, поскольку вещества надо было охлаждать до очень низких температур.

Ситуация изменилась ближе к концу прошлого века, когда было открыто множество новых, необычных сверхпроводящих соединений, обладающих подчас удивительными свойствами. В некоторых из них, так называемых высокотемпературных сверхпроводниках, явление возникало при гораздо более высоких температурах, хотя все еще намного ниже нуля по Цельсию. И, тем не менее, высокотемпературные сверхпроводники, с которыми было проще и дешевле работать, стали активно входить в нашу жизнь.

Сегодня сверхпроводимость используют и в транспорте (монорельсы), и в медицине (различные датчики, снимающие магнитокардиограммы и магнитоэнцефалограммы), и при производстве гигантских ускорителей, и при постройке экспериментальных термоядерных реакторов. Несомненно, что использование сверхпроводимости будет в ближайшие годы расширяться - взять хотя бы квантовые компьютеры, в которых без сверхпроводимости не обойтись.

Однако до сих пор природа необычной высокотемпературной сверхпроводимости остается для ученых загадкой. В обычных сверхпроводниках сверхпроводимость характеризуется параметром порядка, который может зависеть только от координат. Само же явление сверхпроводимости появляется в результате притяжения электронов вблизи поверхности Ферми из-за обмена фононами. Что же касается необычных (анизотропных) сверхпроводников, то в них параметр порядка может зависеть от направления импульса, однако механизм образования сверхпроводимости в них до сих пор не понят. И хотя в изучении необычной сверхпроводимости уже достигнут существенный прогресс - например, полностью идентифицирован тип симметрии параметра порядка в высокотемпературных сверхпроводниках, - непонятого и неисследованного в этой области еще очень много. Мои научные интересы связаны с изучением этого круга проблем.

Я занимаюсь теоретическим изучением высокотемпературных сверхпроводников (высокотемпературные купраты) и киральных сверхпроводников (рутенат, сверхпроводящее соединение с тяжелыми фермионами ). Все эти сверхпроводники сильно анизотропны. Как правило, я рассматриваю неоднородные системы, состоящие из анизотропных и обычных сверхпроводников, нормальных металлов, диэлектриков и ферромагнетиков. Это могут быть образцы очень маленьких размеров, в которых важна дискретная структура сверхпроводника, или контакты со слабой связью между различными подсистемами, или образцы сложной геометрической формы из анизотропных сверхпроводников. При изучении таких систем обычно используют метод квазиклассических гриновских функций или решеточные модели сверхпроводимости с сильной связью.

В большинстве таких систем важную роль играют андреевские связанные состояния, которые во многом определяют транспортные свойства контактов: джозефсоновский ток и низкоэнергетическую часть кондактанса. (Замечу, что рассматриваемые мною системы - это либо контакты сами по себе, либо их потенциальная составная часть.) Поэтому крайне интересно рассмотреть свойства спектров квазичастичных возбуждений в таких системах, особенно наличие и вид андреевских связанных состояний на границах разделов в сверхпроводниках, зависимость их спектров от направления импульса на поверхности Ферми, последствия интерференции от различных связанных состояний в образцах сложной формы. Асимметрия спектров андреевских связанных состояний часто связана с появлением спонтанных токов, которые возникают на поверхностях раздела в системах с анизотропными сверхпроводниками. Если геометрическая форма системы достаточно сложна, то из-за спонтанных токов возможно появление вихревых магнитных структур в областях изгиба границ раздела.

Безусловно, интересно теоретически изучать те параметры, которые могут быть экспериментально измерены. Для рассматриваемых систем это равновесные и неравновесные транспортные характеристики, а также плотность состояний в образце. Среди транспортных характеристик надо выделить джозефсоновский ток, для которого обычно рассчитывают зависимости критического тока от температуры и/или магнитного поля, приложенного к системе. Пример неравновесной транспортной характеристики различных контактов с анизотропными сверхпроводниками - кондактанс. Форма кондактанса и различные особенности на его низкоэнергетической части также связаны с параметрами спектров связанных состояний, которые, в свою очередь, различны для различных типов спаривания. Большое влияние на проводимость контактов оказывает зависимость прозрачности барьера от направления импульса, скоррелированная с зависимостью от направления импульса спектров связанных состояний. Интересно посмотреть, как влияет внешнее магнитное поле на все изучаемые характеристики, тем более что внешнее магнитное поле - один из самых удобных "инструментов" для воздействия на систему. Все это и стало предметом моих научных исследований.

За последние три года мне удалось изучить критический джозефсоновский ток в уголковых SND (обычный сверхпроводник-нормальный металл-высокотемпературный сверхпроводник) контактах в магнитном поле, а также спектры андреевских связанных состояний и джозефсоновских токов в симметричных туннельных контактах с киральными сверхпроводниками. В результате удалось предсказать появление логарифмической аномалии в низкотемпературной части зависимости критического джозефсоновского тока от температуры. Удалось также выяснить, что положение пиков в кондактансе туннельных SIN (сверхпроводник-туннельный барьер-нормальный металл) и SIS (сверхпроводник-туннельный барьер-сверхпроводник) контактов связано с особенностями спектров связанных состояний, и предсказать, что на эту связь сильно влияет форма зависимости прозрачности туннельного барьера от направления импульса падающих квазичастиц. Еще один важный результат - обнаружение нетривиальности идентификации андреевских связанных состояний в узких проволочках сверхпроводников и сильного эффекта четности в зависимости от поперечной ширины проволочки.


8
Показать комментарии (8)
Свернуть комментарии (8)

  • evkut  | 18.08.2005 | 00:57 Ответить
    Передайте пожалуйста автору мой E-mail. Возможно сотрудничество.
    Для предварительного знакомства УФН Том 161, ? 6, с.109 или
    http://www.ufn.ru/ufn91/ufn91_6/053.pdf
    Ответить
  • hfilipenk  | 08.01.2006 | 13:47 Ответить
    О природе сверхпроводимости..........................................

    --------------------------------------------------------------------------------

    Материалы для высокотемпературных сверхпроводников.

    Магнитное поле не может проникать внутрь сверхпроводника.
    Если переход происходит в магнитном поле, то он сопровождается
    появлением таких поверхностных токов, которые необходимы для
    полной компенсации магнитного поля внутри образца. Образец
    выталкивается из магнитного поля и такое свойство материала на-
    зывается диамагнетизмом. Диамагнетиками являются: бериллий,
    бор, алмаз, графит, кремний, фосфор, сера, мышьяк, индий, сурьма,
    теллур, таллий, свинец, висмут. Конечно, природа диамагнетизма
    у сверхпроводника при низких температурах, когда его электроны
    'организованы в коллектив', может отличаться в какой-то степени
    от диамагнетизма приведенных материалов. Но в дальнейшем по-
    пытаемся использовать это свойство материалов при получении
    сверхпроводника. Диамагнетиками также являются лучшие про-
    водники-медь, серебро, золото, которые не входят в ряд сверхпровод-
    ников.
    При получении сплавов замещения или сплавов химическое сое-
    динение нужно минимизировать число электронов, вносимое в зону
    проводимости, чтобы сохранить доминирующими диамагнитные
    свойства материала. Например, у сплава магний-бор (MgB2)-магний
    вносит максимум два электрона проводимости на два атома бора.
    С этой точки зрения можно было бы попробовать сплавы висмута с
    кальцием, бериллия с селеном или теллуром, индия с иттрием или
    барием,таллия с иттрием и т.д. Сверхпроводник MgB2 открыт в 2001 году.
    См. на------------------------------------------------------

    http://www.relativity.ru/forum/viewtopic.php?t=1803

    Заодно о химических элементах и таблице-см.на--------------------

    http://sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/5023.html

    С уважением! Г.Филипенко
    Ответить
  • hfilipenk  | 08.01.2006 | 14:11 Ответить
    А заодно и немного о проводимости в разных типах кристаллических решеток. См.на-------------------------------------------------------

    http://kristall.lan.krasu.ru/Science/publ_grodno.html
    Ответить
  • hfilipenk  | 01.10.2006 | 22:46 Ответить
    Авторы БКШ утверждают, что в сверхпроводимости участвует каждый десятитысячный электрон , а согласно теории твердого тела в простой проводимости участвует от одного до примерно трех электронов от атома или
    грубо каждый десятый или сотый электрон.
    Тем не менее токи сверхпроводимости значительно больше токов обычной проводимости!

    Почему решили связать появление сверхпроводимости с тепловыми колебаниями атомов решетки? Потому, что материалы изотопов элемента имели разные температуры перехода в сверхпроводящее состояние. Конечно такая зависимость есть но она незначительна. Сверхроводимость не зависит от типа решетки. Вокруг сверхпроводника ниобия в таблице элементов много проводников, но не сверх.
    А тепловые колебания их атомов практически такие же. Почему же у других металлов
    сверхпроводимость не обнаруживается?
    Ответить
    • hfilipenk > hfilipenk | 05.10.2006 | 22:04 Ответить
      Проводимость конечно зависит от температуры. Но у меди, серебра почему-то при самых низких температурах сверхпроводимость не наблюдается, а у проводника ниобия, который проводит значительно хуже меди и серебра-сверхпроводимость есть. Есть она и у более тяжелого свинца с типом кристаллической решетки меди.
      Значит не тепловые колебания главные здесь, а какие-то процессы в зоне проводимости. Для их рассмотрения необходимо знать число электронов, отдаваемое каждым атомом решетки в зону проводимости.

      Что-то происходит с электрoнами в зоне проводимости! Задача поставлена.
      Зона проводимости представляется мне -поверхность ячейки Вигнера-Зейтца,которая располагается между атомами кристаллической решетки. А больше электрону проводимости и негде находиться, как только на этой поверхности. При переходе в сверхпроводящее состояние
      в зоне проводимости электроны должны образовать коллектив или стать зависимыми друг от друга. Значит в зоне проводимости число электронов отданное атомом должно быть значительным по сравнению с медью, никелем или серебром,которые не сверхпроводники.
      Число электронов проводимости в металлах-элементах
      приводится в работе-http://kristall.lan.krasu.ru/Science/publ_grodno.html

      добавлено в 22:43
      У ванадия,ниобия и тантала по 5 электронов проводимости на атом и соответственно температуры переходов Тс=5,30...9,26 и 4,48К. У; гафния, титана и циркония по 3 электрона, а Тс=0,09...0,39 и 0,65К.

      добавлено в 23:02
      --------------------------------------------------------------------------------
      Посмотрим таблицу элементов справа-там свинец, олово-
      по 4-5 электронов и алюминий, галий, индий, талий у которых по 2-3 электрона, а Тс=1,196...1,091...3,40...2,39
      соответственно. У свинца и олова Тс=7,19 и 3,72 соответ-
      ственно. Что и требовалось доказать.
      Так как зона проводимости поверхность, а электроны обладают спинами, то по моему организация электронов проводимости в коллектив идет посредством взаимодействия через спины.
      Ответить
  • hfilipenk  | 08.11.2006 | 21:34 Ответить
    Эффект Джозефсона ?

    Появилось много сообщений о сопутствующих сверхпроводимости магнитных явлениях. Поэтому представляется интересным расположить между двумя сверхпроводниками тонкий слой из ферромагнетика (железа например) или из диамагнетика-меди и проанализировать результат. Не сделает ли какой-нибудь из этих сэндвичей более высокую Тс сверхпроводника?
    Ответить
    • Gorskin > hfilipenk | 05.09.2007 | 06:34 Ответить
      Скорее всего проблема гораздо сложнее, чем представляют её себе ученые.
      1.Это явление, где задействовано множество химических элементов.
      У одного хим элемента её нет.
      2.Значит,это кооперативное квантовое явление.В этом физическом процессе участвуют множество частиц множества элементов.
      Возникают куперовские кластеры электронов, которые в виде волн распространяются по проводнику.Аналог- высокотемпературная сверхтекучесть.
      3.Поэтому возникает вопрос.Какой минимальный размер у сверхпроводника может быть? 100 атомов, 10 атомов или нужно несколько миллиардов?
      Достаточно ли получить пленку из высокотемпературного сверхпроводника или иногда нужно иметь обьем в виде проволоки.Если в виде пленки, то какой минимальной ширины из числа атомов?
      Ответ подскажет нанотехнология.
      Без ответа на этот вопрос экспериметаторы наверное не смогут продвинуться дальше.Поэтому пока они пытаются как Фарадей эмпирически перебрать несколько десятков тысяч составов.А что если их облучить, нагреть и т.д.А что если добавить уран.Это напоминает алхимию.
      А не физику.
      Но из истории физики мы знаем.Без теории, основанной на точно поставленных экспериментах ничего не получиться.Нужно учиться у Резерфорда.
      Ответить
  • асютка  | 17.07.2011 | 23:56 Ответить
    Здравствуйте, что за работа такая" Число электронов проводимости в металлах-элемент"?ссылку можете написать?просто, ту которую вы дали не открывается, ошибка.спасибо
    Ответить
Написать комментарий
Элементы

© 2005-2017 «Элементы»