Теория ВТСП

Еще раз напомним, что в настоящее время необходимо выработать ясную и, главное, связную картину основных параметров, характеризующих сверхпроводимость с высокой критической температурой. Лишь при этом условии будет возможна оценка правильности теоретических моделей, конкурирующих в настоящее время. Такое понимание явления необходимо, чтобы установить, до какого предела можно ожидать повышения критической температуры и в каком направлении следует вести поиски.

К. Мюллер, Ж. Беднорц. Открытие высокотемпературной

сверхпроводимости

Будущая теория высокотемпературной проводимости должна будет объяснить, как объединенные пары электронов проводимости могут без сопротивления преодолевать узлы кристаллической решетки (см. цветную вкл.: рис. Ц44). Невозможное на первый взгляд притяжение двух одинаково заряженных частиц возникает потому, 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. Согласно упрощенной теории, это зависит от трех свойств материала: количества электронов, которые могут участвовать в создании состояния сверхпроводимости, характеристической частоты колебаний решетки и концентрации кислородных вакансий, вовлекающих электроны в образование ку- перовских пар, а также сил сцепления между искажениями решетки и электронами.

Удивительный феномен высокотемпературной сверхпроводимости с его так и не решенной задачей выхода на комнатные температуры породил, как это бывает со всяким крупным открытием, целый спектр сопутствующих задач, среди которых выделяется своим значением проблема создания феноменологической теории ВТСП.

В свое время автору посчастливилось, будучи аспирантом видного физика-материаловеда мирового класса профессора Льва Самойло- вича Палатника, заниматься теоретическим изучением высокотемпературных сверхпроводников-металлокерамик.

Вместе с другим замечательным физиком-теоретиком (дипломным руководителем автора на кафедре теоретической физики Харьковского университета) доктором физико-математических наук 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 Л. С. Палатник обратил наше внимание на то, что в составе всех сверхпроводящих высокотемпературных металлоке- рамик обязательно присутствуют вакансии (свободные, не занятые атомами узлы кристаллической решетки) 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.

В магнитных материалах электроны проводимости обладают важным свойством — их эффективная энергия во многом зависит от вида магнитного упорядочения. Однако электроны являются не только носителями электрического заряда, но еще и микроскопическими магнитиками. Поэтому в кристаллах ферромагнетиков[1] они свободно ориентируются относительно направления порядка магнитиков кристалла так, чтобы иметь минимальное энергетическое состояние. В антиферромагнетиках[2] 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, где располагаются вакансии.

Если же число свободных электронов в кристалле достаточно велико, то некоторые из них могут преодолеть взаимное отталкивание одноименных электрических зарядов и сгруппироваться возле вакансий. Такая конфигурация вполне может быть энергетически выгодной благодаря экономии энергии на преодоление притяжения ближайших узлов кристаллической решетки. Естественно, что в одной области не могут собраться все свободные электроны, поэтому в кристалле ВТСП-керамики образуются отдельные ферромагнитные капли с десятками электронов. Результаты детального расчета показывают, что такие капли вполне могут создать периодическую структуру внутри кристаллического порядка ВТСП-керамики.

С понижением температуры и ростом концентрации электронов объем ферромагнитных капель возрастает. При некоторой ее величине капли приходят в контакт друг с другом, и ферромагнитная вы- сокопроводящая часть кристалла начинает доминировать. Именно таким образом ВТСП-металлокерамики могут переходить в сверхпроводящее состояние. Экспериментальные факты подтверждают, что высокотемпературная сверхпроводимость довольно чувствительна к образованию особого внутрикристаллического порядка из кислородных вакансий. Следует также учитывать, что заряд в некоторых сверхпроводящих материалах переносится не электронами, а дырками[3]. Вернее, заряд, конечно же, переносят электроны, но, когда электронов много, удобнее считать, что в некоторых состояниях их нет, и там образовались дырки. Под действием электрического поля свободные электроны начинают передвигаться, и мы видим, как в противоположном направлении начинают движение дырки с положительными зарядами.

Если удалить атом из узла кристаллической решетки, то образуется полость — «вакансия» (см. цветную вкл.: рис. Ц45). 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 объединения двух электронов проводимости в «сверхпроводящую» пару вблизи вакансии. Профессор Л.С. Палатник при объяснении своей теории часто использовал очень наглядный и зримый образ двух шариков-электронов, скатывающихся в лунку-вакансию с выпуклым дном.

Вот здесь и проявляются преимущества теории вакансионной сверхпроводимости, ведь вблизи вакансий одинаково эффективно концентрируются и электроны, и дырки.

Высокотемпературная сверхпроводимость обещала массу заманчивых перспектив в области фундаментальной науки и инженерно-технических задач. Усилия многих ведущих лабораторий были направлены на получение все новых материалов и исследование их структуры. Казалось, что миг создания комнатных сверхпроводников, как и их исчерпывающей теории, совсем близок. Однако природа неохотно раскрывает свои тайны, и, судя по всему, предстоит еще трудная и долгая работа на пути к комнатной сверхпроводимости и теории ВТСП. Исследования интенсивно продолжаются, и хотя ни одно из них пока не смогло решить эту проблему полностью, каждое помогает глубже понять саму феноменологию этого замечательного явления и обнаружить немало нового и интересного в кристаллической структуре ВТСП-керамик.

  • [1] Ферромагнетики — вещества, в которых ниже критической температуры, такназываемой точки Кюри, устанавливается дальний ферромагнитный порядокмагнитных моментов атомов или ионов. Иными словами, ферромагнетики притемпературе ниже точки Кюри способны обладать намагниченностью в отсутствие внешнего магнитного поля.
  • [2] Антиферромагнетики — вещества, в которых спонтанно устанавливается анти-параллельная ориентация элементарных магнитных моментов атомов или ионов.Для антиферромагнетиков характерны небольшие значения магнитной восприимчивости, сильно зависящие от температуры.
  • [3] Во время разрыва связи между электроном и ядром атома появляется свободноеместо в его электронной оболочке. Это обусловливает переход электрона с другого атома на атом со свободным местом. В атом, откуда перешел электрон, входитдругой электрон из другого атома и г. д. Таким образом, происходит перемещениеположительного заряда без перемещения самого атома, и этот условный положительный заряд называют дыркой.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >