Провожая год столетия сверхпроводимости

Провожая год столетия сверхпроводимости

Уходящий 2011 год назван годом сверхпроводимости. Теоретики призывают делать упор на экспериментальное изучение новых сверхпроводников.

Сто лет назад, 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. Оказалось, что сверхпроводящее состояние свойственно большинству металлов, причем критическая температура у каждого металла своя. Понимание природы сверхпроводящего состояния было достигнуто лишь в 50-х годах ХХ века: Гинзбург и Ландау создали макроскопическую, а Бардин, Купер и Шриффер - микроскопическую теорию сверхпроводимости. Пришел черед практическим применениям сверхпроводимости - в 1960-х годах появились первые сверхпроводящие провода, однако хотелось бы, чтобы критическая температура сверхпроводимости была побольше: 4,2 К у ртути и даже до 20 градусов над абсолютным нулем 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. «У нас в Свердловске купраты были синтезированы даже несколько раньше, чем в Москве. Это произошло практически одновременно во всех основных советских физических центрах, купраты очень активно изучались, и новые научные работы появлялись одна за другой. - рассказывает Михаил Виссарионович Садовский, в своё время аспирант Теоретического отделения ФИАН, а ныне академик РАН, заведующий лабораторией теоретической физики Института электрофизики УРО РАН. - 1987-88 годы мы вспоминаем как время необычайного подъема и энтузиазма. Обычно теоретикам приходится искать новую информацию в журналах. Я же, теоретик, получал новые сведения от экспериментаторов буквально из соседней комнаты, просто встретив коллегу в коридоре института».

Но далеко не все надежды, возлагаемые на купраты, оправдались. 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 этой теорией сверхпроводимость возникает при «склеивании» электронов металла в пары, а «клеем» служит взаимодействие электронов с колебаниями кристаллической решетки металла, фононами. «Основной спор происходит вокруг того, каков клей, обеспечивающий образование пар. Моделей очень много. Кроме электрон-фононной модели, например, есть модель, основанная на роли спиновых флуктуаций - фактически магнитный или антиферромагнитный механизм спаривания, - говорит Михаил Садовский. - Я согласен с моделью БКШ с точки зрения максимально общей структуры уравнений сверхпроводимости, 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. С появлением нового экспериментального метода - неупругого рассеяния рентгеновских лучей (новый метод измерения свойств элементарных возбуждений, хорошо дополняющий неупругое рассеяние нейтронов) - увидели и магнитные возбуждения. Но 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. По словам академика, модель БКШ работает во всех перечисленных системах, то есть основные уравнения очень похожи. Другое дело - 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.

Три года назад были открыты новые соединения, так называемые пниктиды и халькогениды железа. С их появлением была разрушена монополия купратов, существовавшая в физике соединений с высокотемпературной проводимостью более 20 лет, поэтому даже несмотря на отнюдь не рекордные температуры - около 50 К у пниктидов и около 30 К у халькогенидов, их открытие - 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 выяснилось, что есть не менее богатый по разнообразию свойств набор систем, которые можно всячески легировать, пытаться менять структуру, синтезировать аналоги. Удивительно, но раньше верили, что на основе железа вообще сверхпроводимости никакой не может быть, а тут оказалось, что вся сверхпроводимость держится на ионах железа! В этом смысле эти соединения сильно отличаются от купратов, и это наводит на мысль, что на самом деле соединений с достаточно высокой температурой сверхпроводящего перехода может быть еще больше», - считает академик Садовский.

Как происходит механизм спаривания в соединениях на основе железа - еще менее ясно. 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, новые халькогениды железа сильно отличаются от пниктидов по электронной структуре и являются по некоторым признакам довольно сильными антиферромагнетиками, а высокотемпературных сверхпроводников, находящихся одновременно в антиферромагнитном состоянии, еще не было.

Во второе столетие сверхпроводящей эры ученые переходят с новыми результатами и с новыми вопросами. Методы вычислительной физики твердого тела или так называемые первопринципные расчеты (в них весьма сильны российские теоретики) - важная составляющая средств решения этих вопросов. Однако, по мнению Садовского, упор нужно делать на экспериментальную работу и наращивание технологической базы. В частности, сейчас ведутся работы по реконструкции и обустройству объединенной Лаборатории высокотемпературной сверхпроводимости, размещенной на территории ФИАНа. И шансы занять лидирующие позиции у нас есть. Предполагается, что к 2015 году Лаборатория станет одним из крупнейших мировых научных центров в области сверхпроводимости.

Источник: nkj.ru

Похожие новости:
Раскрыта тайна спин-орбитального взаимодействия в сверхпроводимости
Международная группа исследователей при участии сотрудника МГУ выяснила, что, вопреки устоявшемуся мнению, существенную роль в механизмах формирования сверхпроводимости в железосодержащих сверхпроводниках (Fe-ВТСП) играет так называемое спин-орбитальное взаимодействие. Статья о проведенном ими исследовании была опубликована в журнале Nature Physics.Спин-орбитальным ..
2015-12-28 1368 0 Научные открытия
0
Состояние сверхпроводимости достигнуто при комнатной температуре
Открытие сверхпроводимости в 1911 году породило массу надежд на революцию в энергетике, большинство из которых постепенно рассеялось, поскольку необходимость использования сверхнизких температур — крайне неудобное и невыгодное условие. Конечно, со временем появились так называемые «высокотемпературные» сверхпроводники, но высокотемпературными ..
2014-12-11 2793 0 Научные открытия
2
Химик из МГУ помог пролить свет на теорию сверхпроводимости
Международной группе исследователей впервые удалось продемонстрировать, что распределение кислородных дефектов у сверхпроводящих купратов не является случайным, а показывает упорядоченное поведение, которое взаимодействует с волной зарядовой плотности. Статья на данную тему опубликована в журнале Nature, а коротко о ней сообщается в пресс-релизе ..
2015-09-19 2250 0 Научные открытия
-1
В МГУ впервые в мире измерили щели «невозможных» сверхпроводников
Физики МГУ оценили возникновение сверхпроводящего состояния в железосодержащих сверхпроводниках с двумя энергетическими щелями. Результаты исследования они представили в журнале Journal of Superconductivity and Novel Magnetism, а коротко о нем сообщается в пресс-релизе, поступившем в редакцию «Ленты.ру».Ученых интересовало измерение характеристик двух энергетических щелей ..
2016-04-03 1238 0 Научные открытия
0
Физики застали сверхпроводники за игрой в «Дженга»
Ученым Великобритании, США, Иордании и Канады удалось, по их словам, добиться существенного прогресса в понимании механизма возникновения высокотемпературной сверхпроводимости. Свое исследование авторы опубликовали в журнале Nature, кратко с ним можно ознакомиться на сайте Кембриджского университета. В своей работе ученые ..
2014-06-18 1463 0 Научные открытия
0
Найден первый сверхпроводящий материал на основе марганца
Ученые, совершенно неожиданно для себя, обнаружили первый в мире сверхпроводящий материал, основу которого составляет марганец. Как считалось ранее, что магнетизм марганца, точнее, его магнитные свойства, настолько велики, что возникновение явления сверхпроводимости в этом материале попросту невозможно. Но нынешнее ..
2015-03-21 2555 0 Научные открытия
0
Графит заподозрили в сверхпроводимости при комнатной температуре
Физики обнаружили, что обработанный водой порошковый графит при комнатной температуре обладает некоторыми свойствами, характерными для сверхпроводников. Работа ученых опубликованав журнале Applied Materials(препринт), а ее краткое содержание приводит блог издания Technology Review. Необычные электрические свойства у графита удалось ..
2012-09-13 2092 0 Научные открытия
0
Сверхпроводимость сероводорода подтвердили в прямом эксперименте
Группа ученых из России, Германии и Франции впервые доказала наличие эффекта Мейснера в сероводороде с помощью прямого измерения, используя метод ядерного резонансного рассеяния синхротронного излучения. Предыдущие измерения требовали вычитания фоновых сигналов, значения которых во много раз превышали сигнал ..
2016-03-21 1398 0 Научные открытия
1
Российские физики «научили» сверхпроводники управлять магнитным полем
Сверхпроводимость, которая почти несовместима с магнитным полем, может при определенных условиях способствовать его распространению, выяснили российские ученые. Устройства на базе этого эффекта могут приблизить эпоху компьютеров будущего — спинтронных вычислительных машин. Результаты исследования опубликованы в журнале ..
2015-10-05 1303 0 Научные открытия
0
Нобелевская премия по физике досталась авторам открытия нейтринных осцилляций
Нобелевской премии по физике за 2015 год удостоились канадец Артур Макдоналд и японец Такааки Кадзита «за открытие нейтринных осцилляций, показывающих наличие у них массы». Сообщение об этом появилось на сайте премии. Канадский физик Артур Макдоналд (родился в 1943 году) является директором ..
2015-10-06 1029 0 Научные открытия
0
Нобелевскую премию по физике вручат за светодиоды
Нобелевской премии по физике за 2014 год удостоились Исаму Акасаки (Isamu Akasaki), Хироси Амано (Hiroshi Amano) и Сюдзи Накамура (Shuji Nakamura). Информация об этом впервые появилась в официальном аккаунте Twitter Нобелевского комитета, а также сайте премии. Ученые создали ..
2014-10-07 1525 0 Научные открытия
0
Физики из ФИАН получили новый сверхпроводник
Российские физики из Физического института им. П.Н. Лебедева Академии наук (ФИАН) получили новый сверхпроводящий материал. Синтезированные учеными кристаллы на основе железа и мышьяка с небольшим добавлением кобальта могут выдерживать ток до миллиона ампер на квадратный сантиметр. Это свойство в сочетании ..
2013-07-29 1695 0 Научные открытия
0
Немцы разработали сверхпроводник, работающий при –70°С
Сверхпроводимость впервые была замечена в металлах, охлажденных до температуры, близкой к абсолютному нулю. Далее стараниями учёных, перебиравших почти все подряд элементы таблицы Менделеева, были найдены такие сверхпроводники, которые работали в жидком азоте (это всё ещё слишком низкая ..
2015-08-24 5188 0 Научные открытия
3
Получен «святой Грааль физики»
Ученые из Гарвардского университета (США) впервые, по их словам, могли наблюдать фазовый переход Вигнера-Хантингтона, свидетельствующий об образовании металлического водорода. Соответствующее исследование опубликовано в журнале Science, кратко о нем сообщает EurekAlert!«Это святой Грааль физики высоких давлений, — сказал соавтор ..
2017-01-29 8188 0 Научные открытия
0
Сверхбыстрый лазер помог изменить свойства твердых материалов
Ученые из США, Южной Кореи и Японии использовали сверхбыстрый (фемтосекундный) лазер для оперативного отслеживания изменений собственной энергии электронов и их взаимодействий в сверхпроводнике. Результаты своих исследований авторы опубликовали в журнале Nature Communications, а кратко с ними можно ознакомиться на сайте ..
2014-10-07 1306 0 Научные открытия
0