Проводжаючи рік сторіччя надпровідності
Сто років тому, у 1911 році Камерлінг-Оннес виявив, що при зниженні температури нижче певної критичної електричний опір ртуті звернулося в нуль. Далі було доведено, що опір в цьому новому, названому надпровідним, стан дійсно відсутня, а не просто дуже маленьке. Виявилося, що надпровідний стан властиво більшості металів, причому критична температура у кожного металу своя. Розуміння природи надпровідного стану було досягнуто лише в 50-х роках ХХ століття: Гінзбург і Ландау створили макроскопическую, а Бардін, Купер і Шриффер - мікроскопічну теорію надпровідності. Прийшла черга практичним застосуванням надпровідності - у 1960-х роках з'явилися перші надпровідні дроти, проте хотілося б, щоб критична температура надпровідності було побільше: 4,2 К у ртуті і навіть до 20 градусів над абсолютним нулем у кращих проводів на основі традиційних надпровідників - надто холодно.
Близько 25 років тому були відкриті високотемпературні надпровідники на основі міді. Нові з'єднання відрізнялися і нової температурою надпровідного переходу - недосяжними до цього майже 100 К. Це відкриття не тільки було тут же увінчана Нобелівською премією, але і настільки надихнуло наукове співтовариство, що кількість публікацій по темі за рік зросла в сотні разів. «У нас в Свердловську купраты були синтезовані навіть дещо раніше, ніж у Москві. Це сталося практично одночасно у всіх основних радянських фізичних центрах, купраты дуже активно вивчалися, і нові наукові роботи з'являлися одна за одною. - розповідає Михайло Віссаріонович Садовський, в свій час аспірант Теоретичного відділення ФІАН, а нині академік РАН, завідувач лабораторією теоретичної фізики Інституту електрофізики УРВ РАН. - 1987-88 років ми згадуємо як час надзвичайного підйому та ентузіазму. Зазвичай теоретикам доводиться шукати нову інформацію в журналах. Я ж, теоретик, отримував нові відомості від експериментаторів буквально з сусідньої кімнати, просто зустрівши колегу в коридорі інституту».
Але далеко не всі надії, покладені на купраты, виправдалися. Суперечки про те, яка ж фізична природа цих надпровідників - вже звична теорія Бардіна-Купера-Шриффера (БКШ) або щось принципово нове - ведуться до цих пір. Згідно з цією теорією надпровідність виникає при «склеюванні» електронів металу у пари, а «клеєм» служить взаємодія електронів з коливаннями кристалічної решітки металу, фононами. «Основна суперечка відбувається навколо того, який клей, що забезпечує утворення пар. Моделей дуже багато. Крім електрон-фононної моделі, наприклад, є модель, заснована на ролі спінових флуктуацій - фактично магнітний або антиферромагнитный механізм спарювання, - каже Михайло Садовський. - Я згоден з моделлю БКШ з точки зору максимально загальної структури рівнянь надпровідності, але, звичайно, тонкі деталі, такі як механізм спарювання і різновид куперовських пар, там інші. Ці деталі і обумовлюють особливості систем».
До недавнього часу колективних збуджень у надпровідних купратах добре бачили тільки фонони. З появою нового експериментального методу - непружного розсіювання рентгенівських променів (новий метод вимірювання властивостей елементарних збуджень, добре доповнює неупругое розсіяння нейтронів) - побачили і магнітні збудження. Але сказати, що там реально працює, на сьогоднішній день складно.
Що стосується загальної формулювання явища надпровідності, то куперовское парування існує в дуже великій кількості фізичних систем. У ультрахолодних газах, низько - і високотемпературних надпровідниках, і навіть в атомних ядрах і кварк-глюонної плазми можна ввести поняття про куперовском паруванні і критичній температурі. За словами академіка, модель БКШ працює у всіх перерахованих системах, тобто основні рівняння дуже схожі. Інша справа - відрізняються механізми спарювання. Наприклад, в низькотемпературних надпровідниках працює електрон-фононный механізм, з цим згодні всі. Але є приклади надпровідників з дуже низькими температурами переходу, наприклад, SrRu2O4, де спостерігається абсолютно аномальне парування - так звані триплетные куперовские пари з ненульовим орбітальним моментом. Теоретики переконані, що там працює не фононный, а магнітний механізм спарювання.
Три роки тому були відкриті нові з'єднання, так звані пниктиды і халькогениды заліза. З їх появою була зруйнована монополія купратів, що існувала у фізиці сполук з високотемпературної провідністю більше 20 років, тому навіть незважаючи на зовсім не рекордні температури - близько 50 К у пниктидов і близько 30 К у халькогенідів, їх відкриття - значна подія у фізиці надпровідників. «Майже 25 років вивчалися одні купраты, здавалося, що площина CuO2 з аномальною температурою переходу, унікальна. Але з появою пниктидов і халькогенідів з'ясувалося, що є не менш багатий за різноманітністю властивостей набір систем, які можна всіляко легувати, намагатися змінювати структуру, синтезувати аналоги. Дивно, але раніше вірили, що на основі заліза взагалі надпровідності ніякої не може бути, а тут виявилося, що вся надпровідність тримається на іонах заліза! В цьому сенсі ці з'єднання сильно відрізняються від купратів, і це наводить на думку, що насправді сполук з досить високою температурою надпровідного переходу може бути ще більше», - вважає академік Садовський.
Як відбувається механізм спарювання в сполуках на основі заліза - ще менш зрозуміло. Теоретичні розрахунки, засновані на первопринципных методи розрахунку енергетичних спектрів твердих тіл, показують, що електрон-фононное взаємодія там недостатньо сильний. Реально механізм спарювання поки невідомий, можливо, що це теж працюють магнітні флуктуації, але є і заперечення. До того ж, нові халькогениды заліза сильно відрізняються від пниктидов по електронній структурі і є за деякими ознаками досить сильними антиферромагнетиками, а високотемпературних надпровідників, які перебувають одночасно в антиферромагнитном стані, ще не було.
По друге століття надпровідної ери вчені переходять з новими результатами і з новими питаннями. Методи обчислювальної фізики твердого тіла або так звані первопринципные розрахунки (в них досить сильні російські теоретики) - важлива складова засобів вирішення цих питань. Однак, на думку Садовського, упор потрібно робити на експериментальну роботу та нарощування технологічної бази. Зокрема, зараз ведуться роботи з реконструкції та облаштування об'єднаної Лабораторії високотемпературної надпровідності, розміщеної на території Фіана. І шанси зайняти лідируючі позиції у нас є. Передбачається, що до 2015 року Лабораторія стане одним з найбільших світових наукових центрів в області надпровідності.