Высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП) представляют собой
материалы, демонстрирующие сверхпроводимость при температурах
значительно выше температуры жидкого гелия (4,2 K). Наиболее известные
представители — оксиды меди, или купратные сверхпроводники, такие как
YBa₂Cu₃O₇₋δ, Bi₂Sr₂CaCu₂O₈₊x и Tl₂Ba₂Ca₂Cu₃O₁₀. Температуры перехода в
сверхпроводящее состояние (T_c) у них могут превышать 100 K, что
позволяет использовать для охлаждения жидкий азот (77 K), значительно
упрощая техническую реализацию.
Ключевым свойством ВТСП является взаимосвязь сверхпроводящего
состояния с кристаллической структурой, в частности, с
двухмерными плоскостями CuO₂. Именно в этих плоскостях формируется
куперовская пара, ответственная за сверхпроводимость.
Электронная
структура и механизм сверхпроводимости
ВТСП отличаются от традиционных низкотемпературных сверхпроводников.
В то время как последние описываются стандартной теорией BCS, ВТСП
характеризуются сильной корреляцией электронов и аномальной
проводимостью нормального состояния.
Особенности электронной структуры:
- Электроны ведут себя как сильно коррелированные, что приводит к
формированию так называемой «псевдощели» в спектре при температурах выше
T_c.
- Основной механизм связывания куперовских пар до конца не выяснен, но
ключевую роль играют спиновые флуктуации и
взаимодействия с кристаллической решеткой.
Тип сверхпроводящего состояния:
- ВТСП характеризуются d-симметрией волновой функции
куперовских пар, что проявляется в угловой зависимости
энергетического зазора Δ(k) ~ cos(k_x) - cos(k_y).
- Такая симметрия приводит к наличию узлов в энергетическом зазоре,
где Δ(k) = 0, что влияет на тепловые и магнитные свойства.
Критические поля и токи
Высокотемпературные сверхпроводники, как правило, относятся к
сверхпроводникам второго рода, что означает:
- Они демонстрируют две критические магнитные поля:
нижнее H_c1 и верхнее H_c2.
- В области между H_c1 и H_c2 формируются вихревые линии
Фейнмана-Вайнштейна, вокруг которых локализуется магнитный
поток.
Важные особенности ВТСП:
- Высокие значения критического поля H_c2, достигающие десятков тесла,
обусловленные короткой когерентной длиной ξ (~1–3 нм).
- Высокие критические токовые плотности J_c в тонкопленочных
структурах и искусственно внедренных дефектах, которые служат центрами
закрепления вихрей (пиннинг).
Вихревая решетка и динамика
вихрей
Под действием магнитного поля сверхпроводник второго рода формирует
вихревую решетку, состоящую из квантованных магнитных
вихрей. Особенности ВТСП:
- Из-за высокой анизотропии и слабого межплоскостного сцепления вихри
могут декуплироваться и образовывать состояние жидкой вихревой
жидкости при повышенных температурах и полях.
- Пиннинг дефектами обеспечивает устойчивость сверхтока, снижая дрейф
вихрей под действием Лоренцовой силы.
Ключевой параметр:
$$
\kappa = \frac{\lambda}{\xi} \gg 1,
$$
где λ — глубина проникновения магнитного поля, ξ — когерентная длина.
Для ВТСП κ достигает сотен, что делает их типичными сверхпроводниками
второго рода с сильной анизотропией.
Анизотропия и слойность
Высокотемпературные сверхпроводники обладают выраженной
кристаллографической анизотропией:
- Электропроводность вдоль плоскостей CuO₂ в десятки раз выше, чем
вдоль оси c.
- Магнитная анизотропия проявляется в различной критической токовой
плотности и пиннинге в разных направлениях.
Последствия анизотропии:
- Влияние на форму вихревой решетки и динамику вихрей.
- Необходимость ориентации кристаллов при изготовлении проводов и
ленточных сверхпроводников.
Технологические аспекты
Для практического использования ВТСП важны следующие моменты:
- Производство проводов и ленточек методом
текстурирования кристаллов или использования гибридных композитов.
- Снижение потерь на вихревое движение, достигается
введением искусственных дефектов и наноструктурированием материала.
- Использование в мощных магнитах, магнитной
левитации и электронных устройствах, где охлаждение жидким азотом
экономически оправдано.
Ключевые достижения:
- Тонкопленочные сверхпроводники с J_c > 10⁶ А/см².
- Магниты с полями до 30 Т без применения жидкого гелия.