История о том, как ученый-физик нашел решение загадки высокотемпературной сверхпроводимости
Российский физик предложил теорию, которая объясняет одно из самых загадочных явлений в высокотемпературных сверхпроводниках — появление «псевдощелевой фазы»
Сверхпроводимость была экспериментально открыта в 1911 году. Больше сорока лет прошло пока в 1957 году появилась микроскопическая теория сверхпроводимости БКШ, названная в честь Бардина, Купера и Шриффера, ученых ее предложивших. Согласно этой теории, состояние или фаза сверхпроводимости может существовать только при Тс — критической температуре около абсолютного нуля (–273° по Цельсию). Авторам в 1972 году была дана Нобелевская премия. А уже в 1986 Беднорцем и Мюллером была экспериментально обнаружена высокотемпературная сверхпроводимость (Нобелевская премия 1987 года). В 2020 году были найдены соединения, критическая температура которых 288К (более 15 °С, правда при давлении 267 ГПа). В рамках теории БКШ это явление объяснить невозможно. Общепринятой теории, которая объясняла бы высокотемпературную сверхпроводимости, до сих пор не создано.
Соединения, называемые высокотемпературными сверхпроводниками или ВТСП, обладают очень сложной электронной структурой. В частности, было обнаружено, что состоянию сверхпроводимости у них предшествует состояние, названное «псевдощелевой фазой».
У сверхпроводников при возникновении сверхпроводимости электроны образуют куперовские пары, которые собираются вблизи уровня, называемом уровнем Ферми. Он отделен щелью — энергетическим интервалом от уровней, заполненных одиночными электронами, лежащими под поверхностью Ферми.
В обычных сверхпроводниках щель образуется при Т=Тс, то есть одновременно с образованием сверхпроводимости. Оказалось, что у высокотемпературных сверхпроводников еще до перехода в сверхпроводящее состояние образуется щель, предшествующая фазе сверхпроводимости. Это явление происходит при более высокой температуре Т* и получило название «псевдощель». Наличие «псевдощелевой фазы» в высокотемпературных сверхпроводниках является одной из самых больших загадок. Ее существование в настоящее время представляется гораздо более непонятным явлением, чем существование самой сверхпроводящей фазы.
В недавно опубликованной работе российского физика Виктора Лахно из Института прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН, в основу микроскопической теории «псевдощелевой фазы» положен трансляционно-инвариантный биполяронный механизм. Необычные свойства новых сверхпроводников, ученый объясняет возникновением внутри сверхпроводников, при движении электронов, особых квазичастиц — биполяронов.
«Биполяроны в сверхпроводниках обладают крайне необычными свойствами, они ведут себя как волны, а не как частицы, которые можно локализовать в конкретных точках пространства. Это делокализованные квазичастицы, которые могут двигаться по всему кристаллу и сохранять стабильность даже при высоких температурах. Поэтому они называются трансляционно-инвариантными или ТИ-биполяронами», — пояснил Лахно.
Сверхпроводимость сопровождается множеством интересных физических явлений. В частности, изотопическим эффектом. Он появляется при замене атомов на изотопы — более тяжелые атомы с большим количеством нейтронов. Температура сверхпроводимости Тс для более легких атомов выше, чем для более тяжелых.
А высокотемпературные сверхпроводники показали в эксперименте очень маленький, практически нулевой изотопический эффект. До сих пор объяснения этому не было найдено. Теория же, предложенная Лахно, объясняет это явление и предсказывает еще более интересное. При добавлении изотопов температура образования псевдощелевой фазы Т* может как увеличиваться, так и уменьшаться, причем ее можно регулировать внешним магнитным полем.
Источник: Институт математических проблем биологии, филиала ИПМ им М.В. Келдыша РАН
