Высокотемпературная сверхпроводимость

Высокотемпературные сверхпроводники (ВТСС) представляют собой материалы, проявляющие сверхпроводимость при температурах значительно выше, чем у традиционных низкотемпературных сверхпроводников. Классические сверхпроводники, основанные на металлах и сплавах, имеют критические температуры ниже 30 К, тогда как ВТСС демонстрируют критические температуры выше 77 К — температуры кипения жидкого азота, что открывает перспективы для практического использования сверхпроводимости без сложных систем охлаждения на жидком гелии.

Ключевые моменты:

  • Высокие критические температуры (Tc), достигающие 130–150 К в некоторых материалах.
  • Чаще всего к ВТСС относят керамические оксиды меди (купраты) и недавно открытые железо-содержащие соединения.
  • ВТСС характеризуются сложной кристаллической структурой, состоящей из слоёв, играющих ключевую роль в механизме сверхпроводимости.

Кристаллическая структура и электронная структура

ВТСС имеют слоистую структуру, в которой основной ролью обладают плоскости CuO₂ (в купратах) или аналогичные плоскости в железо-содержащих соединениях. Эти плоскости обеспечивают высокую подвижность электронов и формируют сильно анизотропное распределение плотности состояний.

Особенности структуры:

  • Купраты: слоистые перовскитоподобные структуры с чередующимися слоями меди и кислорода.
  • Железо-содержащие сверхпроводники: FeAs или FeSe слои, в которых электроны образуют сложные феромагнитные и антиферромагнитные состояния.
  • Анизотропия свойств: критическая температура и токопроводность сильно зависят от направления в кристалле.

Электронная структура ВТСС принципиально отличается от низкотемпературных сверхпроводников. Здесь проявляются эффекты сильной корреляции электронов, локализации и квазичастичных возбуждений. Эти свойства делают невозможным объяснение сверхпроводимости в рамках традиционной теории BCS.

Механизмы сверхпроводимости

Механизм сверхпроводимости в ВТСС до сих пор не имеет единого теоретического объяснения. Однако существует несколько моделей, описывающих ключевые эффекты:

  1. Модель спин-флуктуационной связи: предполагает, что сверхпроводящие куплеты формируются за счёт обмена спиновых флуктуаций, а не фононов.
  2. Роль электронной корреляции: сильные взаимодействия между электронами приводят к формированию куплетов d-симметрии, характерных для купратов.
  3. Феномен псевдощели: в фазе, предшествующей сверхпроводящему состоянию, наблюдается частичное подавление плотности состояний на Ферми-поверхности, что влияет на механизмы связывания электронов.

Ключевые свойства куплетов в ВТСС:

  • Симметрия dₓ²₋y², отличная от традиционной s-волновой симметрии BCS.
  • Антиферромагнитные корреляции играют важную роль в формировании сверхпроводящего состояния.

Фазовые диаграммы и эффект домешивания

ВТСС часто характеризуются сложной фазовой диаграммой по температуре и уровню легирования. В частности:

  • Недолегированные образцы: антиферромагнитный порядок.
  • Оптимально легированные образцы: максимальная критическая температура, формируется сверхпроводящая фаза.
  • Перелегированные образцы: подавление Tc и возможное возникновение металлической, но несверхпроводящей фазы.

Эффект домешивания и управление плотностью носителей позволяют экспериментально регулировать критические свойства материалов.

Магнитные свойства

Высокотемпературные сверхпроводники проявляют сложные магнитные свойства:

  • Анизотропия магнитного поля: критические поля различны вдоль разных кристаллографических осей.
  • Вихревые структуры: при магнитном поле в сверхпроводнике формируются вихри Фладера, имеющие решетчатую или стековую организацию.
  • Фазовое разделение: возможно существование микроскопических областей сверхпроводящего и антиферромагнитного порядка.

Транспортные свойства

Электронные свойства ВТСС также существенно отличаются от обычных сверхпроводников:

  • Высокая электрическая проводимость в плоскостях CuO₂.
  • Анизотропия сопротивления: сопротивление вдоль оси c намного выше, чем в плоскостях.
  • Нелинейные эффекты в токовой нагрузке: критический ток зависит от температуры и магнитного поля, а также от структуры вихрей.

Применение высокотемпературных сверхпроводников

Высокотемпературные сверхпроводники нашли применение в технологиях, где необходимы мощные магнитные поля при относительно «теплых» температурах:

  • Магнитно-резонансная томография (МРТ).
  • Магнитные подвески и транспортные системы (маглев).
  • Энергетические системы хранения и передачи электроэнергии.
  • Устройства с высокими токами, включая трансформаторы и кабели.

ВТСС продолжают оставаться объектом интенсивных исследований как с фундаментальной, так и с прикладной точки зрения. Разработка новых материалов и методов легирования открывает перспективы повышения критической температуры и критического тока, что позволит расширить технологическое использование сверхпроводимости.

Оглавление