Высокотемпературные сверхпроводники

Классификация и общее описание высокотемпературных сверхпроводников

Высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП) представляют собой материалы, демонстрирующие нулевое электрическое сопротивление и эффект Мейснера при температурах, значительно превышающих температуру кипения жидкого гелия (4,2 К), зачастую в диапазоне жидкого азота (77 К) и выше. С открытием купратных сверхпроводников в 1986 году было положено начало новой эпохе в исследовании и понимании механизмов сверхпроводимости.

По химической природе и кристаллической структуре ВТСП делятся на несколько классов, среди которых основными являются:

Купратные сверхпроводники, содержащие слоистые структуры CuO₂.
Железосодержащие сверхпроводники (pnictides и chalcogenides), в которых основную роль играют плоскости FeAs или FeSe.
Никелаты, открытые сравнительно недавно, проявляют родственные черты как с купратами, так и с pnictides.
Неклассические органические, тяжёлые фермионы и полимерные ВТСП, обладающие менее распространёнными механизмами сверхпроводящего состояния.

Кристаллическая структура и её роль в сверхпроводимости

Слоистость структуры является характерной чертой почти всех ВТСП. В купратных соединениях, таких как YBa₂Cu₃O₇−δ (YBCO) или Bi₂Sr₂CaCu₂O₈+x (BSCCO), решающее значение имеют CuO₂-плоскости, между которыми располагаются буферные слои, регулирующие уровень легирования.

Основные особенности:

Анизотропия сверхпроводящих свойств, обусловленная двумерной природой проводимости в плоскостях CuO₂.
Чувствительность к дефектам и кислородному содержанию, что критично влияет на критическую температуру (Tc) и стабильность фазы.
Композиционная сложность, включающая многокомпонентные оксиды с трудноупорядоченной структурой.

В железосодержащих сверхпроводниках, напротив, наблюдается меньшая анизотропия, а проводящие плоскости формируются на основе FeAs или FeSe, часто с участием структурных переходов и магнитных порядков.

Электронная структура и механизм сверхпроводимости

Механизм сверхпроводимости в ВТСП не укладывается в рамки стандартной БКШ-теории. Электронная структура купратов характеризуется узкой зоной, сильной коррелированностью и наличием эффекта Мотта. Сверхпроводящее состояние возникает на фоне допирования полупроводниковой или антимагнитной фазы.

Ключевые особенности:

Сильные электронные корреляции, требующие использования моделей типа Хаббарда или t–J-моделей.
Нестандартная симметрия порядка: в большинстве купратов наблюдается d-волновая симметрия сверхпроводящего зазора.
Псевдощелевая фаза: при температурах выше Tc наблюдается подавление плотности состояний на уровне Ферми, что свидетельствует о наличии предсверхпроводящего порядка.

Для pnictides и халькогенидов характерны s±-тип зазора, возникающего из-за межпоясного обмена между зонами с разной симметрией.

Критические параметры ВТСП

ВТСП обладают значительно более высокими значениями критических температур и полей по сравнению с низкотемпературными сверхпроводниками:

Критическая температура Tc может достигать до 138 К (HgBa₂Ca₂Cu₃O₈+δ под давлением).
Критическое магнитное поле Hc2 достигает значений в сотни Тесла.
Критическая плотность тока Jc может быть высокой при низких температурах, но резко снижается при повышении температуры или в присутствии дефектов.

Тем не менее, высокая анизотропия и слабое межслоевое сцепление приводят к сильной чувствительности к магнитному вихревому состоянию и подавлению Jc при высоких полях.

Фазовая диаграмма и допирование

Для купратов характерна универсальная фазовая диаграмма в координатах температура – уровень допирования (p):

В области недопирования (underdoped) наблюдаются сильные антимагнитные корреляции, псевдощель и неустойчивое сверхпроводящее состояние.
В области оптимального допирования достигается максимальное значение Tc.
В области передопирования (overdoped) сверхпроводимость постепенно исчезает, приближаясь к обычному металлическому состоянию.

Допирование осуществляется путем варьирования содержания кислорода или изовалентного замещения в буферных слоях, что меняет число носителей заряда в CuO₂-плоскостях.

Магнетизм и сверхпроводимость

Один из ключевых вызовов в теории ВТСП – взаимодействие между антимагнетизмом и сверхпроводимостью. В купратных системах сверхпроводящее состояние возникает при подавлении антиферромагнитного порядка. Однако магнитные флуктуации, по-видимому, играют конструктивную роль в формировании связей Куперов.

Железосодержащие сверхпроводники демонстрируют сосуществование или конкуренцию между магнитным порядком и сверхпроводимостью, причём в некоторых случаях наблюдается микроскопическое сосуществование обоих состояний.

Вихревая структура и пиннинг в ВТСП

Из-за высокой тепловой энергии и слабого межплоскостного сцепления, ВТСП легко переходят в смешанное состояние даже при относительно слабых внешних полях. Вихри в таких материалах обладают следующими особенностями:

Плоская искажённая структура вихрей, обусловленная анизотропной проводимостью.
Флуктуационная природа и термическое плавление вихревой решётки, особенно заметная при температуре, близкой к Tc.
Необходимость эффективного пиннинга — введения дефектов, наночастиц или искусственных неоднородностей для стабилизации вихревой решётки и увеличения Jc.

Технологические аспекты и применение

Высокотемпературные сверхпроводники открывают перспективы для многочисленных прикладных направлений, включая:

Кабельные линии и трансформаторы, работающие при 77 К, что снижает энергетические потери.
Сверхпроводящие магниты, особенно из YBCO, для МРТ и систем магнитного подвеса.
Квантовые вычисления и джозефсоновские устройства, благодаря высокой скорости переключения и отсутствию диссипации.

Однако сложность синтеза, хрупкость керамических структур, нестабильность фаз при механических воздействиях и высокая стоимость остаются серьёзными технологическими ограничениями.

Современное состояние теории ВТСП

Несмотря на обширные экспериментальные данные, универсальной теории высокотемпературной сверхпроводимости до сих пор не существует. Рассматриваются следующие подходы:

Резонансные магнитные флуктуации как механизм спаривания.
Механизмы на основе фононной или электронно-экситонной связи.
Теории, основанные на квантовой критичности, предполагающие, что сверхпроводимость возникает на фоне квантового фазового перехода.

Многообещающим является использование численных методов, включая квантовый Монте-Карло, DMRG и подходы динамического среднепольного приближения (DMFT), которые позволяют моделировать сильно коррелированные системы.

Перспективные направления исследований

Современные исследования сосредоточены на:

Поиске новых сверхпроводящих соединений с еще более высокими Tc.
Изучении влияния высокого давления и двумерности на сверхпроводимость.
Исследовании топологических аспектов сверхпроводящего состояния и Majorana-квазичастиц.
Разработке гибридных структур на основе ВТСП и магнитных материалов для спинтроники и квантовых технологий.

Высокотемпературные сверхпроводники остаются одним из самых захватывающих и сложных объектов современной физики твёрдого тела, объединяющим вопросы квантовой теории поля, сильных корреляций и прикладной науки.