Открытые двагода обратно железосодержащие сверхпроводники возродили интерес к одной изсамых интригующих физических проблем современности — построению теориивысокотемпературной сверхпроводимости. Главной загадкой на пути решения этойзадачи остаются неизвестные и не понятые до сих пор процессы внутри вещества,которые ответственны за его сверхпроводящее состояние и которые позволяют емуиметь высокую критическую температуру (температуру перехода из нормальногосостояния в сверхпроводящее). Японские ученые в журнале Physical Review Lettersопубликовали экспериментальную работу, результаты которой могут внестинекоторую определенность в понимание этих внутренних механизмовсверхпроводимости с высокой критической температурой.
/>
Кристаллическаярешетка BaFe2As2. Изображение с сайта www.natureasia.com
Сверхпроводимостьхарактеризуется отсутствием электрического сопротивления и идеальнымдиамагнетизмом (абсолютным непроникновением магнитного поля внутрь материала). Онавозникает у веществ, которые имеют температуру ниже определенного, характерноготолько для них значения. Такая температура называется критической (Tc).
Хотясверхпроводимость была открыта голландским ученым Хейке Камерлинг-Оннесомвдобавок в начале прошлого века (в 1911 году), объяснено это явление было лишьспустя примерно 50 лет (в 1957 году). Создателями теории сверхпроводимостипринято считать Джона Бардина, Леона Купера и Джона Шриффера. Они установили,что вещество становится сверхпроводящим благодаря объединению электроновпроводимости в пары (именуемые куперовскими) и их дальнейшей синхронизации.Иными словами, все электроны ведут себя как единое неделимое (ни один изэлектронов не стремится в этом состоянии показать свою «индивидуальность») и благодаряэтому обтекают без какого-либо сопротивления кристаллическую решетку вещества.
Появлениекуперовских пар обусловлено сложным взаимодействием ионов кристаллическойрешетки и электронов. Электроны обмениваются безмассовыми «почти» частицами(квазичастицами) фононами — квантами колебательного движения ионов. «Почти» —потому что фононы не могут существовать в свободном состоянии, их жизньограничена кристаллической решеткой. В результате обмена квазичастицами промежэлектронами появляется притяжение, что в свою очередь приводит к образованиюкуперовских пар. Описанный процесс формирования куперовских пар получилнаименование электрон-фононного взаимодействия (механизма). Именно этотмеханизм и составляет основу теории сверхпроводимости, или теории БКШ, названнойтак по первым буквам фамилий ее авторов.
Надо сказать,что теория БКШ, как и любая другая физическая теория, не возникла спонтаннымобразом. Она стала итогом последовательных экспериментальных и теоретическихисследований различных ученых. Среди этого многообразия особо стоит выделитьпубликации английского физика Герберта Фрёлиха, который в 1950 году первымуказал на существенную роль влияния ионов на электроны в возникновениисверхпроводимости. Из своей идеи профессор смог вывести заключение о том, чтокритическая температура в семействе изотопов данного сверхпроводника должнабыть назад пропорциональна квадратному корню массы иона М (молекулярной массы),то есть Tc ~ M–α (значок «~» обозначает пропорциональность), где α = 0,5.Проще говоря, чем больше молекулярная масса сверхпроводящего вещества, темменьше его критическая температура. Такая зависимость получила наименование«изотопический эффект», или «изотоп-эффект». В том же году Эммануэль Максвеллобнаружил изотопический эффект в изотопах ртути, что явилось вескимдоказательством правильности гипотезы Фрёлиха. Позже изотоп-эффект был открыт иу других сверхпроводников (см. таблицу 1).
Таблица 1.Изотопический эффект в различных сверхпроводниках
СверхпроводникαМеханизмсверхпроводимостиHg (ртуть)0,5±0,03фононныйTl (таллий)0,5±0,1фононныйCd(кадмий)0,5±0,1фононныйMo (молибден)0,33±0,05фононный
La0,89Sr0,11CuO4
(замена 16О на18О)
≈0,07?
YBa2Cu3O7
(замена 16О на18О)
≈0,02?
*Знак вопросаозначает, что ученые не знают истинной причины формирования куперовских пар и,сообразно, возникновения сверхпроводимости.
Отметим, что врассуждениях Фрёлиха речь шла о моноатомных сверхпроводниках, то естьматериалах, образованных из одного химического элемента.
Когда в 1986-87годах была обнаружена высокотемпературная сверхпроводимость в купратных(медьсодержащих) соединениях La0,89Sr0,11CuO4 (Tc = 40 К) и YBa2Cu3O7 (Tc = 92 К)и др., ученым стало ясно, что ставшая уже классической теория БКШ не всостоянии ее объяснить. БКШ-теория не допускает существования столь высокойкритической температуры в веществах с такой силой электрон-фононноговзаимодействия. На то, что не фононы заставляют объединяться электроны ввысокотемпературных сверхпроводниках (ВТСП), указывало и неимение у этих ВТСПизотоп-эффекта по кислороду — элементу, который наряду с медью присутствует во всехоткрытых впоследствии сверхпроводниках с высокой Tc. Замещение традиционногокислорода 16О другими его изотопами чрезвычайно слабо изменяло критическуютемпературу (см. таблицу 1).
С тех пор изотоп-эффектстал рассматриваться как необыкновенный тест на причастность фононов кпоявлению сверхпроводимости. Если α равно или близ к 0,5, то в данномматериале куперовские пары (сверхпроводимость) возникают за счетэлектрон-фононного притяжения. В противном случае сверхпроводимость вызванаиным механизмом.
Чтобы выявитьналичие или неимение изотоп-эффекта в сверхпроводнике, надобно определитьпоказатель степени α в зависимости Tc ~ M–α. Рассчитать α изэкспериментальных данных не сложно. Так как Tc ~ M–α, то герб равенствапромеж критической температурой и массой иона возникнет, если переписать этузависимость в таком виде: Tc = const·M–α (const — это постоянная величина,константа, которая от Tc и M не зависит). Продифференцировав Tc по M и вспомнивопределение производной функции, получим формулу:
/>
,
где ΔM иΔT соответствуют разности масс ионов и разности критических температур,возникающей при замещении иона его изотопом. Из этой формулы, опираясь наэкспериментальные данные, ученые и определяют α, то есть наличие илинеимение изотопического эффекта.
Конечно,изотоп-эффект не дает прямого ответа на важнейший вопрос высокотемпературнойсверхпроводимости: что заставляет электроны в ВТСП объединяться в пары? Однакоон играет важную роль в распутывании этой загадки, в частности позволяетопределить ступень причастности фононов к возникновению куперовских пар.
С открытием в2008 году железосодержащих ВТСП поиски причин возникновения высокотемпературнойсверхпроводимости возобновились с новой силой. И, конечно, в первую очередьученых заинтересовала величина вклада электрон-фононного взаимодействия всверхпроводимость «железных» сверхпроводников. Будет ли этот вклад отличен отнуля или он так же пренебрежительно мал, как и в купратных ВТСП? Один извозможных способов решения данной проблемы связан с обнаружением (илинеобнаружением) изотопического эффекта по железу — веществу, объединяющие«железные» сверхпроводники в один класс.
Впервыеизотоп-эффект в железосодержащих ВТСП, а точнее, в поликристаллическихсоединениях SmFeAsO1–xFx (х = 0,15) с Tc = 40 К и Ba1–xKxFe2As2 (х = 0,4) с Tc =37 К был открыт группой китайских ученых в 2009 году. Заменяя атомы природного(наиболее распространенного) железа 56Fe изотопом 54Fe, исследователи выяснили,что показатель степени α находится вблизи от 0,5 и предположительно равен 0,35.Из результатов эксперимента ученые заключили, что частично (частично — потомучто α равно не 0,5, а чуть меньше – 0,35) куперовские пары формируются поддействием электрон-фононного взаимодействия, но бесспорно, что количественноэтот процесс классической теорией БКШ не описать.
История сизотопическим эффектом в железосодержащих сверхпроводниках получила своепродолжение в недавно опубликованной в журнале Physical Review Letters статьеяпонских ученых Inverse Iron Isotope Effect on the Transition Temperature ofthe (Ba,K)Fe2As2 Superconductor (доступной также здесь). Они сосредоточили своевнимание на изотоп-эффекте по железу в поликристаллах Ba1–xKxFe2As2 —сверхпроводника, в котором тот же эффект по железу исследовали их китайскиеколлеги.
Чтобы достичьминимальной грехи в итоговых результатах, авторы статьи приготовили семьнаборов из сверхпроводящего Ba1–xKxFe2As2 по два образца в каждом. Условия ихпроизводства были совершенно идентичными. разность заключалась лишь вхимическом составе, а точнее, в использовании при изготовлении сверхпроводниканаряду с обычным железом (56Fe, в таблице оно обозначено как nFe) двух егодругих стабильных изотопов: 54Fe и 57Fe. предположим, набор S2, как видно изтаблицы, представляет собой два одинаково приготовленных поликристаллаBa1–xKxFe2As2, в состав которых входят изотопы железа-54 и 57 соответственно.
Таблица 2.Критическая температура, сдвиг критической температуры и показатель степени визотопическом эффекте по железу в зависимости от изотопа Fe, входящего в составсверхпроводящих поликристаллов Ba1–xKxFe2As2
/>
Из полученныхданных (см. таблицу 2) ученые рассчитали показатель степени α иобнаружили, что, во-первых, он отличается от нуля и в среднем равен –0,18.Во-вторых, и это самое необычное, он имеет отрицательный герб, то есть чемтяжелее ион железа, входящий в сверхпроводник, тем выше критическаятемпература. В подавляющем большинстве сверхпроводники, если и обладаютизотоп-эффектом, то для них α — положительное число.
Возникающеепротиворечие с результатами предыдущей работы по изотоп-эффекту (см. выше)авторы статьи объясняют несовершенством изготовления поликристалловBa1–xKxFe2As2, делая упор на возможную неточность в допировании исследуемоговещества атомами калия.
Какие выводыделают из своей работы японские экспериментаторы? Ненулевое значение αуказывает на то, что фононы нельзя скидывать со счетов в теориисверхпроводимости «железных» ВТСП. Однако отрицательная величина α говорито том, что механизм электрон-фононного взаимодействия, возможно, более трудный,чем описываемый в теории БКШ. На основании того, что α в среднем равно –0,18,а не 0,5, авторы статьи делают следующее догадка. По их мнению, вжелезосодержащих ВТСП реализуется экзотический механизм объединения куперовскихпар: смесь «более сложного» электрон-фононного и обменного взаимодействий. В однойиз прошлых новостей «Элементы» уже писали вероятном обменном механизмеформирования пар электронов. Поэтому лишь напомним, что обменное взаимодействиечастиц представляет собой квантовый (связанный с принципом запрета Паули)аналог электростатического взаимодействия.
Таким образом,если теоретикам удастся объяснить такой аномальный изотоп-эффект в «железных»ВТСП в рамках высказанной авторами обсуждаемой статьи гипотезы о смешанномвзаимодействии электронов, то не исключено, что природа высокотемпературнойсверхпроводимости может проясниться не только для данного классасверхпроводников.
Источник:Parasharam M. Shirage, Kunihiro Kihou, Kiichi Miyazawa, Chul-Ho Lee, HijiriKito, Hiroshi Eisaki, Takashi Yanagisawa, Yasumoto Tanaka, Akira Iyo. InverseIron Isotope Effect on the Transition Temperature of the (Ba,K)Fe2As2Superconductor // Phys. Rev. Lett. 103, 257003 (2009).
Списоклитературы
Для подготовкиданной работы были использованы материалы с сайта www.informbase.com.ua