Глава 25. Высокотемпературная сверхпроводимость

Работающему научному сотруднику чрезвычайно сложно, а скорее всего просто не под силу предсказать то, какой будет целая область науки в следующем столетии. Это сподручнее сделать писателям-фантастам, и на замечательных романах Жюля Верна многие из нас выросли. Научный же работник обременен грузом реальных и конкретных знаний, которые не позволяют ему делать очень смелые предсказания. Хотя в свое время Альберт Эйнштейн разъяснил, как делаются крупные открытия. Он сказал, что подавляющее большинство людей знает, что это невозможно. Затем находится один человек, который не знает, вот он и делает открытие.

Ж. И. Алферов

Поиск новых сверхпроводящих материалов является одной из самых многообещающих нерешенных задач физико-химического материаловедения. Суть этого явления, открытого столетие назад, заключается в том, что у ряда веществ при очень низких температурах полностью исчезает электрическое сопротивление и они выталкивают магнитное поле. Новое развитие явление сверхпроводимости получило после открытия ее высокотемпературного аналога двумя швейцарскими исследователями в 1986 году.

Классическое явление сверхпроводимости оказалось связанным с возникновением в металлах своеобразного притяжения между электронами, носящего сугубо квантовый характер. Часть электронов при достаточно низких температурах как бы объединяется в связанные пары, называемые куперовские, по имени их первооткрывателя, которые, пребывая в особом квантовом состоянии, переносят электрический ток абсолютно без потерь энергии. Размеры куперовских пар в атомном масштабе весьма велики – они могут достигать сотен и тысяч межатомных расстояний. Таким образом, сверхпроводимость – не что иное, как макроскопическое квантовое явление. Ее суть заключается в том, что при очень низких температурах тяжелые атомы металлов практически не колеблются в узлах кристаллической решетки и их можно считать фактически стационарными.

Вот между подобными «застывшими» атомами, а вернее ионами, и путешествуют при сверхнизких температурах куперовские пары. Иными словами, электроны в сверхпроводящем металле попарно взаимодействуют между собой, и на это уходит вся их энергия. В результате электроны начинают перемещаться между атомами металла, практически не теряя энергии в результате соударения с атомами, и электрическое сопротивление сверхпроводника падает до нуля. С технической точки зрения наиболее перспективны различные магнитные подвесы над сверхпроводящей поверхностью для движущихся устройств. Это позволит избежать трения и нагревания различных осей и подшипников. Такие составы считаются одним из самых быстрых транспортных средств в мире, и в них используется технология магнитной левитации, запатентованная еще в 1930-х годах. Успешные испытания первого прототипа таких поездов состоялись в 1987 году. Скорость ранних модификаций монорельсового поезда составляла 450 километров в час, а современные модели способны развить скорость до 550 километров в час.

Ученые начали изучать металлокерамики еще в семидесятых годах прошлого столетия, однако ничего необычного не нашли и отложили на полку, даже не подозревая о скрытых возможностях. Хотя температура в 30 K может показаться довольно низкой, она намного выше, чем температура перехода в сверхпроводящее состояние для ниобиевых сплавов (примерно 23 K), которые широко применяются в науке и промышленности.

Долгое время физика не могла объяснить этот странный низкотемпературный эффект, но к середине прошлого века природа сверхпроводимости получила исчерпывающее объяснение. Возникла и определенная промышленная потребность в сверхпроводящих материалах, однако широкое использование сверхпроводников сильно сдерживало дорогостоящее и трудоемкое охлаждение материалов до сверхнизких температур.

Таким образом, необычайно остро встала проблема повышения критической температуры перехода в сверхпроводящее состояние. Теоретические оценки предсказывали, что в пределах действия механизма куперовских пар, когда электроны связаны друг с другом, посредством взаимодействия с решеткой, критическая температура не может подняться выше сорока градусов Кельвина (–233 °С). Однако и достижение подобного предела было бы феноменальным открытием, позволившим перейти на сравнительно дешевый и доступный охладитель – жидкий водород с температурой кипения около 20 К (–253 °С). Это ввело бы техническую и инженерную физику в эпоху «среднетемпературной» сверхпроводимости, поэтому долгое время предпринимались активные попытки создать новые сверхпроводящие соединения из уже известных «классических» сверхпроводников. При этом недостижимой целью оставалось создание сверхпроводников с критической температурой в пределах 100 К (–173 °С), для которых в роли хладагента мог бы выступать дешевый и широко используемый в промышленности жидкий азот.

Правда, на этом пути удалось получить «органические» металлы и синтезировать кристаллы «органических» сверхпроводников. Исследовались сотни тысяч иногда довольно необычных веществ. Среди них много внимания уделялось так называемым квазиодномерным соединениям, включающим длинные молекулярные проводящие цепочки с многочисленными боковыми ответвлениями. Однако ситуация изменилась только в последней четверти прошлого века, когда было открыто множество новых, необычных сверхпроводящих соединений, представлявших собой различные модификации минерала перовскита. Так, физики наконец-то вступили в мир высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП), возникавшей при довольно высоких температурах, хотя еще намного ниже нуля по Цельсию. И тем не менее высокотемпературные сверхпроводники, или ВТСП-керамики, стали активно использоваться в самых разнообразных инженерно-технических решениях, таких как сверхмощные электромагниты, медицинская диагностика и монорельсовый транспорт на магнитной подушке.

Нерешенная задача комнатной сверхпроводимости кажется выполнимой уже в близком или по крайней мере обозримом будущем. Однако удивительно и то, что феноменальным результатам экспериментаторов до сих пор не найдено общепринятого теоретического объяснения, и природа ВТСП-переходов во многом остается научной загадкой. И хотя в изучении необычной сверхпроводимости уже достигнут существенный прогресс, непонятного и неисследованного в этой области еще очень много.

Теория высокотемпературной проводимости должна объяснить, как объединенные пары электронов проводимости могут без сопротивления преодолевать узлы кристаллической решетки. Невозможное на первый взгляд притяжение двух одинаково заряженных частиц возникает из-за того, что металлокерамики состоят не только из анионов, но и из положительных ионных вакансий. Движущийся электрон оставляет за собой след в виде кратковременных искажений кристаллической решетки, притягивающих другой электрон, образующий вместе с первым куперовскую пару. Здесь можно провести аналогию с детьми, прыгающими на батуте: хотя они напрямую не связаны, деформации батута во время прыжков будут способствовать их сближению. Куперовские электронные пары начинают накладываться друг на друга, при температуре ниже критической образуют электронное состояние, охватывающее весь проводник, и перестают испытывать электрическое сопротивление.

Удивительный феномен высокотемпературной сверхпроводимости тут же породил до сих пор полностью не решенную научную задачу создания исчерпывающей теории этого явления.

В свое время автору пос частливилось, буду чи аспирантом видного физика-материаловеда мирового класса, профессора Льва Самойловича Палатника, заниматься теоретическим изучением высокотемпературных сверхпроводников – металлокерамик.

Вместе с другим замечательным физиком-теоретиком Игорем Ивановичем Фалько мы рассматривали неоднородные системы, состоящие из анизотропных и обычных сверхпроводников, нормальных металлов, диэлектриков и ферромагнетиков. При изучении таких систем нам удалось создать один из вариантов теории высокотемпературной сверхпроводимости, основанный на совершенно необычных представлениях о роли микроскопических пустот (вакансий) в теле проводника.

Профессор Палатник обратил наше внимание на то, что в составе всех сверхпроводящих высокотемпературных металлокерамик обязательно присутствуют вакансии и ионы меди, которые служат как бы микроскопическими магнитиками. Конечно, не следует считать, что все подобные материалы являются сверхпроводниками, например, железо, состоящее из подобных ионов-магнитиков, по своим свойствам – нормальный металл. В ВТСП-металлооксидах подобные ионы-магнитики при взаимодействии друг с другом выстраиваются в собственную упорядоченную структуру, куда и входят вакансионные узлы. В результате в кристалл из атомов оказывается как бы вложенным еще один кристалл из вакансий и связанных с ними атомов.

Если удалить атом из узла кристаллической решетки, образуется полость – вакансия. Подобные вакансии обязательно присутствуют в реальных высокотемпературных сверхпроводниках и в соответствии с теорией Палатника – Фалько – Фейгина играют определяющую роль в образовании сверхпроводящего состояния. Один из вариантов реализации высокотемпературного сверхпроводящего состояния можно представить в виде схемы объединение двух электронов проводимости в «сверхпроводящую» пару вблизи вакансии. Профессор Палатник при объяснении своей теории часто использовал очень наглядный образ двух шариков-электронов, скатывающихся в лунку – вакансию с выпуклым дном.

В магнитных материалах электроны проводимости обладают важным свойством – их эффективная энергия во многом зависит от вида магнитного упорядочения. А поскольку электроны являются не только носителями электрического заряда, но еще и микроскопическими магнитиками, то в кристаллах ферромагнитов они свободно ориентируются относительно направления порядка магнитиков кристалла, так, чтобы иметь минимальное энергетическое состояние. В антиферромагнитиках электроны лишены такой возможности понизить энергию, поскольку в любой ориентации их окружает одинаковое количество параллельных и антипараллельных магнитиков.

Таким образом, магнитное упорядочение в определенной мере определяет энергию электронов проводимости, которые также оказывают влияние на магнитный порядок в кристалле. Разумеется, это касается не всего кристалла в целом, а лишь его выделенных локальных областей.

С понижением температуры и ростом концентрации электронов объем ферромагнитных капель возрастает. При некоторой ее величине капли приходят в контакт друг с другом, и ферромагнитная высокопроводящая часть кристалла начинает доминировать. Именно подобным образом ВТСП-металлокерамики могут переходить в сверхпроводящее состояние. Вот здесь и проявляются преимущества теории вакансионной сверхпроводимости, ведь вблизи вакансий одинаково эффективно концентрируются и электроны, и дырки.

Решение задачи создания полноценной теории ВТСП обещает массу заманчивых перспектив в области фундаментальной науки и инженерно-технических задач. Усилия многих ведущих лабораторий направлены на получение все новых материалов и исследование их структуры. Кажется, что создание комнатных сверхпроводников, как и их исчерпывающей теории, наступит буквально в ближайшие годы. Однако природа неохотно раскрывает свои тайны.