Экспериментальное подтверждение сверхпроводимости полуторного рода откладывается

Рис. 1. Фазовая диаграмма состояния сверхпроводников 1-го, 2-го и 1,5-го рода, показывающая, как изменяются состояния сверхпроводника при изменении температуры и индукции внешнего магнитного поля. Мейсснеровское состояние соответствует сверхпроводящей фазе, когда силовые линии магнитного поля не могут проникнуть в вещество. Смешанное или вихревое состояние означает сосуществование сверхпроводимости и нормальных несверхпроводящих микроскопически тонких ниток, вытянутых вдоль силовых линий магнитного поля. Такие нитки называют вихрями Абрикосова, или квантовыми вихрями. Промежуточное состояние присуще только сверхпроводникам 1,5-го рода. По сути оно схоже со смешанным состоянием сверхпроводников 2-го рода, но отличается от него расположением вихрей в веществе. (см. подробности в тексте). Рисунок Юрия Ерина

Известно, что магнитное поле разрушает сверхпроводимость. В зависимости от того, как протекает данный процесс, все сверхпроводящие вещества условно делятся на сверхпроводники 1-го и 2-го рода. В 2005 году было предсказано существование сверхпроводимости 1,5-го рода и высказано предположение, что наиболее вероятный кандидат на звание сверхпроводника 1,5-го рода — диборид магния (MgB₂). Через 4 года группа ученых во главе с Виктором Мощалковым опубликовала экспериментальную работу, в которой сообщалось о наблюдении в дибориде магния полуторной сверхпроводимости. На прошедшей недавно в Анталии Международной конференции по сверхпроводимости и магнетизму ICSM-2010 Мощалков рассказал об открытии его группой сверхпроводимости 1,5-го рода. После доклада присутствующими учеными были выдвинуты доводы, из которых следовало, что результаты его экспериментов нельзя расценивать как доказательство наличия в MgB₂ сверхпроводимости 1,5-го рода.

Около года назад «Элементы» сообщали об экспериментальном подтверждении в монокристаллах MgB₂ сверхпроводимости полуторного рода, существование которой было предсказано теоретиками несколько лет назад. Открытие было сделано интернациональной командой ученых под руководством Виктора Мощалкова из Лёвенского университета в Бельгии. Результаты исследований сначала появились в Архиве электронных препринтов, а затем в журнале Physical Review Letters. Несмотря на то что статья была опубликована как Editors' Suggestions, то есть как представляющая значительный научный интерес по мнению редакторов журнала, реакция на нее со стороны специалистов в области физики конденсированного состояния и, в частности, сверхпроводимости последовала весьма скептическая.

На проходившей с 25 по 30 апреля в Анталии Международной конференции по сверхпроводимости и магнетизму ICSM-2010 (на сайте конференции также выложены аннотации докладов) с пленарным докладом о полуторной сверхпроводимости выступал один из ее первооткрывателей Виктор Мощалков. Собственно, после его выступления и были озвучены основные претензии и замечания. Разумных контраргументов со стороны Мощалкова не последовало. Более того, в целом он признал обоснованность этой критики. Следовательно, можно утверждать, что экспериментальное подтверждение существования в дибориде магния сверхпроводимости 1,5-го рода пока откладывается.

Прежде чем рассказать, почему результаты экспериментов группы Мощалкова нельзя расценивать как доказательство наличия в MgB₂ полуторной сверхпроводимости, кратко напомним, что такое сверхпроводимость 1-го и 2-го рода и что такое сверхпроводимость вообще?

Сверхпроводимость 1-го и 2-го рода

Вещество становится сверхпроводящим, когда его температура опускается ниже определенного, характерного только для него, значения (называемого критической температурой, T_c). Явление сверхпроводимости характеризуется нулевым электрическим сопротивлением вещества и его идеальным диамагнетизмом, проявляющимся в выталкивании и непроникновении магнитного поля внутрь материала. Если быть очень точным, то магнитное поле всё-таки проникает в сверхпроводник. Но глубина этого проникновения очень малая и составляет максимум порядка 100 нм. В таком тоненьком слое возбуждаются незатухающие токи, которые помогают сверхпроводнику экранировать внешнее магнитное поле и не давать ему заходить глубже в материал. В этом и состоит причина идеального диамагнетизма, или эффекта Мейсснера—Оксенфельда. Состояние идеального диамагнетизма сверхпроводника называют также мейсснеровским состоянием, а экранирующие токи — мейсснеровскими токами.

Если зафиксировать температуру и начать увеличивать «силу» магнитного поля, то при некотором значении его индукции B_c (критическое поле) сверхпроводимость резко перестает существовать, так как мейсснеровские токи уже не способны защитить сверхпроводник от вторжения внешнего поля. В итоге вещество из сверхпроводящего состояния переходит в нормальное (рис. 1). Сверхпроводники, которые ведут себя подобным образом, называют сверхпроводниками первого рода.

В сверхпроводниках 2-го рода разрушение сверхпроводимости идет поэтапно (рис. 1). Пока индукция магнитного поля не превышает B_c1 (нижнее критическое поле), сверхпроводник — идеальный диамагнетик, то есть находится в мейсснеровском состоянии. Когда индукция поля «перешагнула» B_c1, сверхпроводнику становится энергетически выгодно впускать поле в себя в виде своеобразных микроскопических «нитей» (характерный размер порядка 100 нм — 1 мкм), вытянутых вдоль силовых линий внешнего поля (рис. 2). Чем больше индукция поля, тем больше этих нитей будет в сверхпроводнике. При большом увеличении эти образования представляют собой вихри, ядра которых несверхпроводящие (нормальные), а вокруг них циркулируют сверхпроводящие токи, которые экранируют нормальную область вихря. Вихри проникают в сверхпроводник 2-го рода не случайным образом, а образуют однородную треугольную вихревую решетку.

Рис. 2. Магнитное поле в сверхпроводник 2-го рода проникает посредством квантовых вихрей, или вихрей Абрикосова, представляющих собой микроскопические нормальные области (выделены голубым цветом), окруженные сверхпроводящими циркулирующими токами. Пространство между вихрями является сверхпроводящим. По нему протекают экранирующие мейсснеровские токи. Рисунок с сайта nauka.relis.ru

Кроме того, вихри являются квантовыми объектами, поскольку содержат как бы одну силовую линию внешнего магнитного поля — квант магнитного потока Ф₀ = h/2e = 2,07·10^–15 Тл·м². Часто их называют абрикосовскими вихрями — по фамилии ученого Алексея Абрикосова, предсказавшего в 1957 году их существование. Он же и указал на то, что вихри должны упорядочиваться в виде треугольной решетки. В связи с этим треугольная конфигурация вихрей в сверхпроводнике получила еще одно название: абрикосовская решетка (см. галерею изображений абрикосовских решеток на сайте Лаборатории сверхпроводников Университета Осло).

Формально можно сказать, что сверхпроводники 1-го и 2-го рода отличаются взаимодействием вихрей. В сверхпроводники 1-го рода вихри проникают, когда индукция внешнего поля становится больше B_c. Но не наблюдаются вихри из-за того, что они на любых расстояниях только притягиваются (чем ближе, тем сильнее), а потому, как только они появляются, начинают «сливаться» в единое целое, образуя тем самым нормальную несверхпроводящую область. В сверхпроводниках 2-го рода взаимодействие вихрей носит исключительно характер отталкивания, что и приводит к формированию вихревой решетки. Она исчезает лишь тогда, когда индукция поля становится больше B_c2. Тогда вихрей становится так много, что их нормальные ядра перекрываются. Так появляется нормальный участок.

Сверхпроводимость 1,5-го рода

В 2005 году Егор Бабаев и Мартин Спейт теоретически предсказали существование сверхпроводника 1,5-го рода, в котором взаимодействие вихрей отличается от сверхпроводников 1-го и 2-го рода и напоминает поведение молекулярных сил. Иными словами, вихри на близких расстояниях должны отталкиваться друг от друга, а на далеких расстояниях притягиваться. Вследствие этого возможно образование более сложных и неоднородных (по сравнению с абрикосовской решеткой) вихревых структур. Например, формирование объединений (кластеров) из двух и более близкорасположенных вихрей или, как их назвали Бабаев и Спейт вышеупомянутые теоретики, вихревых «молекул».

Спустя 4 года группа ученых под руководством Виктора Мощалкова сообщила, что действительно в монокристаллах MgB₂ проникновение магнитного поля происходит приблизительно так, как предсказывали Егор Бабаев и Мартин Спейт. Эксперименты установили, что пока индукция внешнего магнитного поля не превышает B_c1, сверхпроводник находится в мейсснеровском состоянии, то есть не впускает в себя силовые линии. Далее, при индукции поля 0,0001 Тл, вихри входят в сверхпроводник, образуя не треугольную решетку, а паутинную (рис. 3a). Плавное увеличение индукции магнитного поля до 0,0005 Тл приводит к преобразованию паутинной вихревой решетки в чередующиеся полосы с высокой и низкой плотностью вихрей, то есть те самые кластеры, о которых говорилось выше (рис. 3b). Если же еще усилить внешнее поле, то произойдет еще одно превращение и возникнет хорошо знакомая треугольная решетка вихрей: диборид магния ведет себя уже как сверхпроводник 2-го рода.

Рис. 3. (a) Паутинная вихревая решетка в MgB₂ при температуре 4,2 К во внешнем магнитном поле с индукцией 0,0001 Тл. (b) Вихревая решетка диборида магния, находящегося при той же температуре, но в поле 0,0005 Тл. Изображения из статьи Victor Moshchalkov et al. Type-1.5 Superconductivity // Physical Review Letters, 102, 117001 (2009)

Почему нельзя утверждать, что наблюдалась сверхпроводимость 1,5-го рода?

Итак, проникновение магнитного поля в сверхпроводник 1,5-го рода оказалось еще более сложным, чем для сверхпроводника 2-го рода (рис. 1). При заданной температуре сверхпроводник полуторного рода с увеличением индукции магнитного поля последовательно проходит мейсснеровское состояние (когда никаких вихрей в нём нет). Потом «попадает» в некое промежуточное состояние, в котором вихри за счет взаимодействия, напоминающего межмолекулярные силы, могут образовывать вихревые «молекулы». Дальше усиление поля переводит сверхпроводник в смешанное или вихревое состояние, где образуется однородная абрикосовская решетка (как у сверхпроводника 2-го рода). И наконец, магнитное поле окончательно разрушает сверхпроводимость. Так должно быть «на бумаге», но совсем не так оказалось у группы Мощалкова. Да, они наблюдали неоднородное распределение вихрей, которое можно трактовать как их притяжение/отталкивание. Да, они видели скопление вихрей — кластеры. Но необходимо обратить внимание, в каком интервале индукций магнитного поля имело место это промежуточное состояние: от 0,0001 Тл до 0,0005 Тл при температуре 4,2 К. Теоретически такой интервал для MgB₂ должен находиться выше мейсснеровского состояния (см. нижнюю часть рис. 1). В экспериментах же Мощалкова интервал находится «глубоко» в мейсснеровском состоянии, поскольку нижнее критическое поле, ограничивающее для монокристаллов MgB₂ мейсснеровское состояние, согласно различным экспериментальным оценкам колеблется приблизительно от 0,003 до 0,01 Тл для той же температуры 4,2 К. Проще говоря, нижнее критическое поле на порядок сильнее тех полей, что имели место у Мощалкова!

Однако мейсснеровское состояние характеризуется тем, что в сверхпроводнике вообще нет никаких вихрей. Тогда откуда тогда они взялись? Дело в том, что такая градация состояний сверхпроводимости несколько идеализирована. В реальности в сверхпроводнике неизбежно найдутся центры пиннинга — дефекты или «слабые» места, в которые проникает в виде вихрей магнитное поле. Именно это, скорее всего, и наблюдала команда Мощалкова — случайное распределение вихрей, которые «заползли» в сверхпроводящий монокристалл через его центры пиннинга.

Однако не стоит делать вывод, будто сверхпроводимость 1,5-го рода вообще не может существовать. Предсказания теоретиков сомнению пока никто не подвергал. Вслед за статьей Бабаева и Спейта появились и другие теоретические работы, говорящие о возможности формирования в некоторых сверхпроводниках тех самых вихревых «молекул» — неоднородного распределения вихрей.

Большинство ученых сходятся во мнении, что искать сверхпроводимость 1,5-го рода необходимо в недавно открытых «железных» сверхпроводниках (см. заметки Открыт новый тип высокотемпературных сверхпроводников, «Элементы», 12.05.2008 и Найдено новое семейство сверхпроводников, содержащих железо, «Элементы», 31.10.2008). И следует сказать, что эксперименты подобного рода уже проводились, их результаты были опубликованы (PDF, 415 Кб) и даже докладывались на конференции ICSM-2010 (например, доклад Льва Винникова из Института физики твердого тела РАН). Однако расценивать данные эксперименты как доказательство сверхпроводимости 1,5-го рода пока что рано. Остается ждать дальнейшего развития ситуации и следующих публикаций.

Юрий Ерин