ФЕНОМЕН СВЕРХПРОВОДИМОСТИ: НА ПУТИ К ПОНИМАНИЮ

Недавний результат группы физиков-теоретиков под руководством академика М.В. Садовского (Институт электрофизики УрО РАН) был признан Объединенным ученым советом по физико-техническим наукам Отделения одним из важнейших достижений 2013 года. Ученые исследовали электронную структуру нового высокотемпературного сверхпроводника (ВТСП) халькогенида железа и провели сравнение двух классов новых ВТСП — халькогенидов и пниктидов железа.
Напомним читателю, что первое соединение из класса высокотемпературных сверхпроводников на основе купратов открыли Карл Мюллер и Георг Беднорц в 1986 году, за что уже в 1987 им была присуждена Нобелевская премия. Однако, по словам Михаила Виссарионовича Садовского, несмотря на беспрецедентные усилия мировой науки за прошедшие с тех пор без малого тридцать лет, природа высокотемпературной сверхпроводимости в купратах до конца не выяснена.
В 2008 году был открыт новый класс ВТСП — слоистые соединения на основе пниктида железа, а позже халькогенида железа. Уральские физики-теоретики сразу приступили к их исследованию. В том же году академик М.В. Садовский опубликовал в журнале «Успехи физических наук» первый в мировой литературе обзор, посвященный новому семейству ВТСП. А последний его результат выставлен на интернет-сайте Международного архива препринтов, существующий уже 25 лет , на который любой активно работающий физик может выложить свои результаты до того, как они будут опубликованы в «бумажном» варианте.
О новых высокотемпературных сверхпроводниках и в целом о природе высокотемпературной сверхпроводимости — наша беседа с Михаилом Виссарионовичем.
— Открытие 2008 года сопоставимо со сверхпроводниковым бумом 1986-го?
— В общем, да, во всяком случае, оно вызвало явный всплеск интереса к высокотемпературной сверхпроводимости. ВТСП на основе железа посвящены уже более тысячи статей. И это неудивительно, ведь их открытие нарушило «монополию» купратов в физике ВТСП и продемонстрировало возможность синтеза других перспективных высокотемпературных сверхпроводников. Но главное, надеюсь — исследования нового класса ВТСП позволят продвинуться в теоретическом понимании механизмов высокотемпературной сверхпроводимости.— Каков вклад российских ученых в изучение ВТСП на основе соединений железа?
— Открыли их японцы, а экспериментальными исследованиями наиболее активно занимаются китайцы — не зря Китай три десятилетия вкладывал средства в развитие науки, теперь китайские ученые лидируют во многих областях. Именно китайские специалисты первыми экспериментально подтвердили наши расчеты электронной структуры халькогенида железа.
К сожалению, в России этому направлению уделяется неоправданно мало внимания. Российских работ по высокотемпературной сверхпроводимости новых систем на основе железа, что называется, в микроскоп не видно.
Исследования новых ВТСП ведут три расчетных группы, все в Екатеринбурге — наша, группа недавно ушедшего из жизни доктора химических наук А.Л. Ивановского (Институт химии твердого тела УрО РАН) и группа доктора физико-математических наук В.И. Анисимова (Институт физики металлов УрО РАН).
Экспериментальные исследования высокотемпературных сверхпроводников невозможны без использования метода ARPES — фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением. Она позволяет «сфотографировать» и поверхность Ферми, и электронный спектр сверхпроводника. За рубежом методика ARPES используется уже 20 лет, а в России соответствующего оборудования нет. И если оно не появится в ближайшее время, боюсь, мы отстанем в этой области уже навсегда.
— В чем отличия вновь открытых сверхпроводников от сверхпроводящих купратов?
— Физика купратов определяется кулоновским взаимодействием, иными словами, они относятся к сильно коррелированным системам, в которых межэлектронное (кулоновское) взаимодействие играет решающую роль в отличие от большинства обычных металлов. Именно существенная роль межэлектронных корреляций в купратах определяет аномалии их нормального состояния. Этим же объясняются микроскопические механизмы сверхпроводимости.
Для понимания природы высокотемпературной сверхпроводимости важно было сравнить сверхпроводящие купраты с новыми ВТСП на основе соединений железа. У них много общего, но есть и различия, в частности у «железных» сверхпроводников более сложная электронная структура, чем у купратов. Некоторые исследователи предполагали, что в новых сверхпроводниковых системах межэлектронные корреляции столь же важны, как и в купратах. Но, оказалось, все гораздо сложнее.
Мы провели развернутое сравнение двух открытых классов ВТСП — пниктидов и халькогенидов железа. Анализ показал, что они довольно значительно различаются по электронной структуре: у них разная структура зон и поверхности Ферми. В халькогенидах роль межэлектронного взаимодействия более существенна, чем в других сверхпроводниковых системах на основе железа. Если коротко, это и есть наш последний результат. Я бы назвал его частным, однако мировым научным сообществом он был замечен и оценен. Правда, пока непонятно, какое значение это имеет для дальнейших теоретических исследований.
— Перефразируя известные строки Омара Хайяма, в тайну сверхпроводимости можно дверь отворить?
— Часто экспериментаторы говорят, что теоретики могут только объяснить то, что они уже обнаружили, а предсказать ничего не могут. В нашем случае произошло наоборот. Мы сначала провели расчеты поверхности Ферми для халькогенида железа, а потом это было подтверждено экспериментально.
Наши исследования ставят фундаментальную проблему, которую мы пытаемся решить: существует ли «благоприятная» или оптимальная для высокотемпературной сверхпроводимости структура электронного спектра? Иными словами, почему одни соединения являются сверхпроводниками, а другие нет? Например, почему сверхпроводимостью обладают пниктиды и халькогениды железа, ведь на первый взгляд железо не связано со сверхпроводимостью? Железо — магнетик, а магнетизм со сверхпроводимостью «не дружит». Обычно вещество обладает либо магнитными свойствами, либо сверхпроводящими. Но оказалось, что некоторая близость к магнетизму, точнее к антиферромагнетизму (одно из магнитных состояний вещества, при котором магнитные моменты соседних частиц ориентированы навстречу друг другу (антипараллельно), и магниченность тела в целом очень мала) может способствовать высокотемпературной сверхпроводимости.
Вообще недолгая история науки о высокотемпературной сверхпроводимости, как и любой другой отрасли знания, не линейна, полна непредсказуемых событий. Высокотемпературные сверхпроводники были открыты еще в 1912 году. В течение 70 лет исследований температура перехода в сверхпроводящее состояние не превышала 20 Кельвинов. Когда группа академика В.Л. Гинзбурга занялась изучением сверхпроводимости, многие отнеслись к этому скептически. А потом были обнаружены ВТСП с температурой перехода 95–130 К.
Железные ВТСП сначала были открыты с температурой перехода 30 К, а теперь есть такие, у которых температура в сверхпроводящее состояние 70 K. Они могут охлаждаться жидким гелием. Все эти экспериментальные открытия стали абсолютно неожиданными. Теоретики, к сожалению, не смогли их предсказать.
— Интерес к проблеме высокотемпературной сверхпроводимости связан с перспективами практического применения ВТСП. Эти надежды в какой-то мере оправдались?
— Действительно, считается, что сверхпроводимость — практически выгодная вещь, поскольку позволяет передавать электричество почти без потерь. Но даже купраты пока не нашли настоящего применения, а у железных ВТСП параметры похуже. Из купратов можно было бы делать кабели, но они будут в 10 раз дороже медных, потому что в технологии изготовления кабеля на основе купратов обязательно присутствует серебро. Пока ВТСП имеют специальное применение, а также используются в некоторых устройствах электроники.
Но, повторю, изучать явление высокотемпературной сверхпроводимости нужно прежде всего для понимания природы вещей, для развития представлений о физической картине мира. Как уже говорилось, последовательной теории высокотемпературной сверхпроводимости в настоящее время не существует, однако ее исследования привели ко многим неожиданным экспериментальным и теоретическим результатам. Интерес к этой области далеко не ограничивается достижением сверхпроводимости при комнатной температуре.

Беседовала
Е. ПОНИЗОВКИНА
Фото С. НОВИКОВА