Российский физик предложил объяснение «псевдощелевой фазы» у сверхпроводников

Физик Виктор Лахно из Института прикладной математики им. М. В. Келдыша РАН предложил теорию, которая объясняет одно из самых загадочных явлений в высокотемпературных сверхпроводниках — появление «псевдощелевой фазы». О работе сообщается в пресс-релизе института.

Сверхпроводимость была экспериментально открыта в 1911 году. Больше сорока лет прошло, пока в 1957 году появилась микроскопическая теория сверхпроводимости БКШ, названная в честь ее авторов — физиков Бардина, Купера и Шриффера. Согласно этой теории, состояние или фаза сверхпроводимости может существовать только при Тс — критической температуре около абсолютного нуля (–273 °C). Авторы в 1972 году получили Нобелевскую премию. А уже в 1986 году Беднорцем и Мюллером была экспериментально обнаружена высокотемпературная сверхпроводимость (Нобелевская премия 1987 года). В 2020 году были найдены соединения, критическая температура которых — 288 кельвинов (более 15 °С, правда, при давлении 267 ГПа). В рамках теории БКШ это явление объяснить невозможно. Общепринятой теории, которая объясняла бы высокотемпературную сверхпроводимость, до сих пор не создано.

Соединения, называемые высокотемпературными сверхпроводниками (ВТСП), обладают очень сложной электронной структурой. В частности, было обнаружено, что состоянию сверхпроводимости у них предшествует состояние, названное «псевдощелевой фазой». У сверхпроводников при возникновении сверхпроводимости электроны образуют куперовские пары, которые собираются вблизи уровня, называемом уровнем Ферми. Он отделен щелью — энергетическим интервалом — от уровней, заполненных одиночными электронами, лежащими под поверхностью Ферми.

В обычных сверхпроводниках щель образуется при Т = Тс, то есть одновременно с образованием сверхпроводимости. Оказалось, что у высокотемпературных сверхпроводников еще до перехода в сверхпроводящее состояние образуется щель, предшествующая фазе сверхпроводимости. Это явление происходит при более высокой температуре Т* и получило название «псевдощель». Наличие «псевдощелевой фазы» в высокотемпературных сверхпроводниках является одной из самых больших загадок. Ее существование в настоящее время представляется гораздо более непонятным явлением, чем существование самой сверхпроводящей фазы.

В недавно опубликованной работе Виктора Лахно в основу микроскопической теории «псевдощелевой фазы» положен трансляционно-инвариантный биполяронный механизм. Необычные свойства новых сверхпроводников ученый объясняет возникновением внутри сверхпроводников, при движении электронов, особых квазичастиц — биполяронов.

«Биполяроны в сверхпроводниках обладают крайне необычными свойствами, они ведут себя как волны, а не как частицы, которые можно локализовать в конкретных точках пространства. Это делокализованные квазичастицы, которые могут двигаться по всему кристаллу и сохранять стабильность даже при высоких температурах. Поэтому они называются трансляционно-инвариантными или ТИ-биполяронами», — пояснил Лахно. 

Сверхпроводимость сопровождается множеством интересных физических явлений. В частности, изотопическим эффектом. Он появляется при замене атомов на изотопы — более тяжелые атомы с большим количеством нейтронов. Температура сверхпроводимости Тс для более легких атомов выше, чем для более тяжелых.

А высокотемпературные сверхпроводники показали в эксперименте очень маленький, практически нулевой изотопический эффект. До сих пор объяснения этому не было найдено. Теория же, предложенная Лахно, объясняет это явление и предсказывает еще более интересное. При добавлении изотопов температура образования псевдощелевой фазы Т* может как увеличиваться, так и уменьшаться, причем ее можно регулировать внешним магнитным полем. Если предсказания теории будут подтверждены экспериментально, то это станет веским аргументом в пользу ТИ-биполяронной теории сверхпроводимости.

Статья Виктора Лахно опубликована в журнале Materials.

Обсудите с коллегами

19.10

Письма на заметку. Собаки. Отцы. Искусство

PRO SCIENCE
19.10

Жители горных деревень на севере Индии не подозревали, что лук, который они едят, является неизвестным науке видом

PRO SCIENCE
19.10

Планетологи считают, что на Венере никогда не было океанов

PRO SCIENCE
19.10

Противовирусный препарат помог мышам с мышечной дистрофией

PRO SCIENCE
18.10

Патриотизм снизу. «Как такое возможно, чтобы люди жили так бедно в богатой стране?»

PRO SCIENCE
18.10

Сфокусированный ультразвук помогает лекарствам проникнуть в мозг

PRO SCIENCE
Супергидриды церия помогают достичь высокотемпературной сверхпроводимости Супергидриды церия помогают достичь высокотемпературной сверхпроводимости Ученые сформулировали правило, которое облегчит поиск высокотемпературных сверхпроводников Ученые сформулировали правило, которое облегчит поиск высокотемпературных сверхпроводников
Супергидриды церия помогают достичь высокотемпературной сверхпроводимости