Новости

25 ноября, 2015 12:26

Физики объяснили необычное поведение сильно неупорядоченных сверхпроводников

Физики объяснили необычное поведение сильно неупорядоченных сверхпроводников

В статье, которую ученые опубликовали на страницах журнала Physical Review B: Condensed Matter And Materials Physics, речь идет о так называемых сверхпроводниках с псевдощелью. Термин «щель» возникает в квантовой теории сверхпроводимости и обозначает характерный зазор на диаграмме с распределением электронов по энергиям, энергетическом спектре. Выделяют сверхпроводники с «обычной» щелью и особые сверхпроводники, которые даже в своем «нормальном» состоянии демонстрируют нечто похожее на щель — ее называют псевдощелью.

Пары электронов и сверхпроводимость

Для понимания термина «щель» необходимо сделать небольшой экскурс в теорию. Полной модели, которая бы объясняла феномен сверхпроводимости во всех деталях (и позволяла бы, например, синтезировать работающий при комнатной температуре сверхпроводник) нет по сей день, но в качестве наиболее удачной модели на сегодня используется чаще всего БКШ-теория: разработанная Джоном Бардином, Леон Нилом Купером и ДжономШриффером. В БКШ-теории ключевую роль играют куперовские пары — связанные состояния двух электронов с противоположно направленными спинами. Такие пары отличаются, с одной стороны, очень слабой связью между частицами (которая имеет сугубо квантовую природу — в классической теории электроны имеют одинаковый заряд и должны отталкиваться), а с другой — тем, что не взаимодействуют с кристаллической решеткой, поэтому свободно передвигаются по веществу и не тратят свою энергию на столкновения. Охладив металл до такой температуры, при которой тепловое движение частиц не мешает формированию куперовских пар, такие пары можно заставить перемещаться без потерь и за счет этого перевести весь образец в сверхпроводящее состояние.

Появление куперовских пар меняет не только электрические свойства вещества в целом, но и распределение электронов по энергиям, энергетический спектр. Формирование пар влечет появление в спектре характерного провала, который называют либо щелью, либо псевдощелью в зависимости от обстоятельств. Если вещество — сверхпроводник, и сверхпроводимость после охлаждения до критической температуры возникла одновременно с появлением куперовских пар, то говорят про щель (в английской литературе - gap). А вот если схожая особенность на графике со спектром электронов после охлаждения появилась, но сверхпроводимости при этом еще не возникло — употребляется термин «псевдощель» (получается, что щель как бы «ненастоящая», и её появление не связано с появлением сверхпроводимости). Если такое вещество охладить посильнее, оно становится сверхпроводником, а щель в его спектре увеличивается – в ее величине складываются как псевдощель, так и собственно сверхпроводящая щель. Свойства такого сверхпроводника во многом отличаются от обычного.

  

Псевдощель на реальном энергетическом спектре 
Изображение: Benjamin Sacepe (Neel Institute, Grenoble, France)

Сверхпроводники с обычной щелью хорошо вписываются в теорию БКШ, которая однозначно связывает куперовские пары с формированием провала на графике распределения по энергиям. Эта же теория гласит, что плотность сверхпроводящего тока прямо пропорциональна величине сверхпроводящей щели: ρs ~ Δ, чем больше куперовских пар образовалось в единице объема, тем больше провал на энергетическом спектре, т.е. величина щели. Сверхпроводники с псевдощелью в теорию БКШ уже не вписываются, но их можно описать на основе теории, которую ранее предложили Михаил Фейгельман и Лев Иоффе с коллегами. В своей новой статье ученые при помощи своей теории рассчитали для сверхпроводников с псевдощелью зависимость плотности сверхпроводящего тока от ширины псевдощели.

Все дело в беспорядке

Изучение строения сверхпроводников с псевдощелью на микроскопическом уровне показало, что такие материалы отличаются сильной неупорядоченностью. Это значит, что их атомы не выстроены в идеальную кристаллическую решетку или структура этой решетки сильно нарушена. Примерами таких сверхпроводников с псевдощелью авторы нового исследования называют нитрид титана в виде тонкой пленки (в которой кристаллическая решетка окажется нарушена во многих местах) и оксид индия (который вовсе может быть аморфным, как стекло).

Купол этого храма покрыт тонким слоем нитрида титана. Тот же материал используется и для покрытия режущего инструмента, а при сильном охлаждении пленки из нитрида титана способны превращаться в сверхпроводники с псевдощелью. 
Снимок: Panther / Wikimedia

Неупорядоченность играет ключевую роль в том, что переход в сверхпроводящее состояние происходит не одновременно с формированием куперовских пар. Связанные друг с другом электроны в таких материалах появляются до того, как исчезает электрическое сопротивление именно потому, что многочисленные отклонения в микроскопической структуре вещества от идеального порядка могут мешать куперовской пары, которая в упорядоченных кристаллах движется без всяких помех.

Необходимо подчеркнуть, что куперовские пары в сверхпроводнике с псевдощелью нельзя охарактеризовать как неподвижные. Из-за квантовых эффектов их поведение несколько сложнее: подчиняясь соотношению неопределённостей, они не замирают неподвижно в одном месте, а “размазываются” по достаточно большой (десятки межатомных расстояний), но конечной области. Если бы они могли двигаться, такая область покрывала бы всё вещество: лучше представить это поможет картинка ниже.

Отличие обычных сверхпроводников от псевдощелевых. Сверхпроводимость в случае обычных сверхпроводников при повышении температуры выше критической исчезает потому, что разрушаются куперовские пары, а в случае сверхпроводников с псведощелью — потому, что неупорядоченность начинает мешать движению куперовских пар, и они становятся локализованными в некоторой области решётки. 

Изображение: пресс-служба МФТИ.

Итоговый результат

Вывод электрических параметров сверхпроводников с псевдощелью из квантовых свойств вещества важен как с фундаментальной (ученые стали лучше понимать сверхпроводники в целом), так и с прикладной точки зрения. Исследователи отмечают, что на основе оксида индия, типичного сверхпроводника с псевдощелью, уже удалось создать сверхпроводящее квантовое устройство, способное служить прототипом составной части квантового компьютера.

Рассмотрев движение куперовских пар по веществу с разной степенью неупорядоченности, ученые вывели теоретическую зависимость плотности куперовских пар ρs в веществе от ширины псевдощели. Это важная характеристика, поскольку она обратно пропорциональна индуктивности пленки (а описываемые материалы получают именно в виде пленок) в сверхпроводящем состоянии. Подобные пленки с высокой индуктивностью и нулевым сопротивлением нужны для производства кубитов, основы квантовых вычислительных устройств.

Если в обычных сверхпроводниках зависимость плотности куперовских пар от ширины псевдощели была линейна (ρs ~ Δ), то в изучаемых веществах она оказывается квадратичной (ρs ~ Δ2). Этот факт легко проверить экспериментально в более подробном исследовании — и, если это произойдёт, теория, разработанная авторами ранее, найдёт дополнительные подтверждения.

Авторы статьи благодарят B. Sacepe за плодотворные дискуссии в ходе написания работы. Исследование выполнено при поддержке гранта Российского научного фонда.

29 марта, 2024
Химический дисбаланс в организме может привести к хроническим заболеваниям
Цифровую систему, с помощью которой можно оценивать риск развития социально значимых заболеваний, со...
29 марта, 2024
Российские ученые обучили ИИ подбирать эффективную защиту для глаз от лазерного излучения
Российские ученые разработали нейросеть для быстрой оценки способности материалов блокировать опас...