В железосодержащих сверхпроводниках обнаружен изотопический эффект

Открытые два года обратно железосодержащие сверхпроводники возродили интерес к одной из самых интригующих физических проблем современности — построению теории высокотемпературной сверхпроводимости. Главной загадкой на пути решения этой задачи остаются неизвестные и не понятые до сих пор процессы внутри вещества, которые ответственны за его сверхпроводящее состояние и которые позволяют ему иметь высокую критическую температуру (температуру перехода из нормального состояния в сверхпроводящее). Японские ученые в журнале Physical Review Letters опубликовали экспериментальную работу, результаты которой могут внести некоторую определенность в понимание этих внутренних механизмов сверхпроводимости с высокой критической температурой.

Кристаллическая решетка BaFe2As2. Изображение с сайта www.natureasia.com

Сверхпроводимость характеризуется отсутствием электрического сопротивления и идеальным диамагнетизмом (абсолютным непроникновением магнитного поля внутрь материала). Она возникает у веществ, которые имеют температуру ниже определенного, характерного только для них значения. Такая температура называется критической (Tc).

Хотя сверхпроводимость была открыта голландским ученым Хейке Камерлинг-Оннесом вдобавок в начале прошлого века (в 1911 году), объяснено это явление было лишь спустя примерно 50 лет (в 1957 году). Создателями теории сверхпроводимости принято считать Джона Бардина, Леона Купера и Джона Шриффера. Они установили, что вещество становится сверхпроводящим благодаря объединению электронов проводимости в пары (именуемые куперовскими) и их дальнейшей синхронизации. Иными словами, все электроны ведут себя как единое неделимое (ни один из электронов не стремится в этом состоянии показать свою «индивидуальность») и благодаря этому обтекают без какого-либо сопротивления кристаллическую решетку вещества.

Появление куперовских пар обусловлено сложным взаимодействием ионов кристаллической решетки и электронов. Электроны обмениваются безмассовыми «почти» частицами (квазичастицами) фононами — квантами колебательного движения ионов. «Почти» — потому что фононы не могут существовать в свободном состоянии, их жизнь ограничена кристаллической решеткой. В результате обмена квазичастицами промеж электронами появляется притяжение, что в свою очередь приводит к образованию куперовских пар. Описанный процесс формирования куперовских пар получил наименование электрон-фононного взаимодействия (механизма). Именно этот механизм и составляет основу теории сверхпроводимости, или теории БКШ, названной так по первым буквам фамилий ее авторов.

Надо сказать, что теория БКШ, как и любая другая физическая теория, не возникла спонтанным образом. Она стала итогом последовательных экспериментальных и теоретических исследований различных ученых. Среди этого многообразия особо стоит выделить публикации английского физика Герберта Фрёлиха, который в 1950 году первым указал на существенную роль влияния ионов на электроны в возникновении сверхпроводимости. Из своей идеи профессор смог вывести заключение о том, что критическая температура в семействе изотопов данного сверхпроводника должна быть 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, тем меньше его критическая температура. Такая зависимость получила наименование «изотопический эффект», или «изотоп-эффект». В том же году Эммануэль Максвелл обнаружил изотопический эффект в изотопах ртути, что явилось веским доказательством правильности гипотезы Фрёлиха. Позже изотоп-эффект был открыт и у других сверхпроводников (см. таблицу 1).

Таблица 1. Изотопический эффект в различных сверхпроводниках

СверхпроводникαМеханизм сверхпроводимостиHg (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 на 18О)

≈0,07?

YBa2Cu3O7

(замена 16О на 18О)

≈0,02?

*Знак вопроса означает, что ученые не знают истинной причины формирования куперовских пар и, сообразно, возникновения сверхпроводимости.

Отметим, что в рассуждениях Фрёлиха речь шла о моноатомных сверхпроводниках, то есть материалах, образованных из одного химического элемента.

Когда в 1986-87 годах 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 в состоянии ее объяснить. БКШ-теория не допускает существования столь высокой критической температуры в веществах с такой силой электрон-фононного взаимодействия. На то, что не фононы заставляют объединяться электроны в высокотемпературных сверхпроводниках (ВТСП), указывало и неимение у этих ВТСП изотоп-эффекта по кислороду — элементу, который наряду с медью присутствует во всех открытых впоследствии сверхпроводниках с высокой Tc. Замещение традиционного кислорода 16О другими его изотопами чрезвычайно слабо изменяло критическую температуру (см. таблицу 1).

С тех пор изотоп-эффект стал рассматриваться как необыкновенный тест на причастность фононов к появлению сверхпроводимости. Если α равно или близ к 0,5, то в данном материале куперовские пары (сверхпроводимость) возникают за счет электрон-фононного притяжения. В про