Высокотемпературная сверхпроводимость

Основные экспериментальные открытия

Высокотемпературная сверхпроводимость (ВТСП) была обнаружена в 1986 г. Й. Г. Беднорцем и К. А. Мюллером в системе перовскитоподобных купратов на основе лантана и бария (La-Ba-Cu-O), где критическая температура Tc достигала около 35 К. Уже через год были синтезированы соединения семейства YBa₂Cu₃O₇−δ (YBCO) с Tc ≈ 93 K, что значительно превышало температурный предел жидкого азота (77 K). Это открытие имело фундаментальное значение, поскольку позволило уйти от необходимости использования жидкого гелия, сделав сверхпроводимость технически и экономически более доступной.

К настоящему времени критические температуры в оксидных купратах достигают более 130 К при атмосферном давлении и до ~160 К при высоких давлениях. Помимо купратов, в 2000-х годах были открыты железосодержащие сверхпроводники (pnictides) и гидридные системы, демонстрирующие ВТСП при ещё более высоких температурах под высоким давлением (до 250–260 K).

Кристаллическая структура и особенности химического состава

Высокотемпературные сверхпроводники (особенно купраты) характеризуются слоистой структурой, состоящей из чередующихся плоскостей меди и кислорода (CuO₂-плоскости), которые разделены промежуточными слоями, содержащими редкоземельные или щелочноземельные элементы.

Ключевая роль принадлежит CuO₂-плоскостям: именно в них происходит формирование куперовских пар и перенос заряда. Химическое допирование (например, замещение La³⁺ на Sr²⁺ в La₂CuO₄ или контроль кислородного содержания в YBCO) регулирует концентрацию носителей заряда, что определяет положение системы относительно оптимального допирования и величину Tc.

Структурные особенности:

  • Анизотропия свойств: проводимость вдоль CuO₂-плоскостей значительно выше, чем перпендикулярно им.
  • Квазидвумерность: электронные состояния и механизмы парообразования в основном ограничены внутри плоскостей.
  • Сильная корреляция электронов: взаимодействие электронов друг с другом в купратах гораздо сильнее, чем в обычных металлах, что выводит их за рамки традиционной теории БКШ.

Электронная структура и допирование

В недопированном состоянии купраты являются антиферромагнитными изоляторами типа Мотта, несмотря на то что по зонной теории они должны быть проводниками. Это связано с сильным кулоновским взаимодействием U, которое запрещает движение электронов при полной заселённости медных 3d-орбиталей.

При допировании дырками или электронами система постепенно переходит от изолятора к металлу, а затем к сверхпроводнику. Зависимость Tc от концентрации носителей имеет характерный куполообразный вид:

  • Недопированная область: преобладает псевдощель и сильные магнитные корреляции.
  • Оптимальное допирование: максимальное Tc.
  • Передопированная область: сверхпроводимость ослабляется, преобладают ферми-жидкостные свойства.

Псевдощелевая фаза

Выше Tc в купратах наблюдается особое состояние — псевдощель (pseudogap), характеризующееся частичным подавлением плотности состояний на уровне Ферми. Природа псевдощели до конца не ясна; предполагается, что она может быть связана либо с предсверхпроводящими флуктуациями, либо с конкурирующими порядками (спиновые или зарядовые волны, орбитальные токи).

Псевдощелевая фаза существенно влияет на транспортные и магнитные свойства материала и, возможно, играет ключевую роль в механизме ВТСП.

Механизм сверхпроводимости: отличие от теории БКШ

В обычных сверхпроводниках, описываемых теорией БКШ, куперовские пары формируются за счёт взаимодействия электронов через фононы. Однако для купратов электрон-фононное взаимодействие недостаточно, чтобы объяснить их высокие Tc.

Особенности механизма в ВТСП:

  • Куперовские пары формируются в условиях сильной электронной корреляции.
  • Возможная роль играет обмен спиновыми флуктуациями в CuO₂-плоскостях.
  • Симметрия параметра порядка в купратах имеет dx2 − y2-тип, что подтверждается фазочувствительными экспериментами (эффект АБ-Джозефсона, интерференционные измерения).

Таким образом, механизм ВТСП остаётся предметом активных исследований и, вероятно, не универсален для всех классов высокотемпературных сверхпроводников.

Фазовая диаграмма купратов

Фазовое поведение можно условно разделить на несколько областей:

  1. Антиферромагнитный изолятор при нулевом или малом допировании.
  2. Псевдощелевая фаза при промежуточном допировании и температурах выше Tc.
  3. Сверхпроводящая фаза в области оптимального допирования.
  4. Ферми-жидкостная металлическая фаза при сильном передопировании.

Эта фазовая диаграмма отражает сложную конкуренцию между магнетизмом, коррелированным металлическим состоянием и сверхпроводимостью.

Железосодержащие высокотемпературные сверхпроводники

В 2008 г. был открыт новый класс ВТСП — железные pnictides и chalcogenides. Они обладают:

  • слоистой структурой с FeAs- или FeSe-плоскостями;
  • сравнительно меньшими корреляционными эффектами по сравнению с купратами;
  • более сложной мультизонной электронной структурой.

Механизм сверхпроводимости здесь также предполагает участие спиновых флуктуаций, а симметрия параметра порядка чаще всего s±-типа.

Гидридные системы с ВТСП под высоким давлением

В 2015 г. было показано, что сероводород при давлениях порядка 150 ГПа становится сверхпроводником с Tc ≈ 203 K. Позднее были получены гидриды LaH₁₀ с Tc ≈ 250 K при ~170 ГПа. Механизм здесь ближе к фононному, однако высокое Tc обеспечивается за счёт высокой частоты фононов и сильной связи в лёгких атомах водорода.

Критические параметры и технические особенности

Для ВТСП-материалов характерны:

  • Высокие критические токи в керамических и текстурированных образцах.
  • Большие критические магнитные поля Hc2, достигающие десятков Тесла.
  • Сильная анизотропия магнитных свойств.

Практическое использование требует контроля микроструктуры, текстурирования зёрен, минимизации слабых связей между кристаллитами.

Оглавление