Про природу високотемпературної надпровідності

Бобков Олександр Михайлович

Навіть ті, хто далекі від науки, чули про надпровідності. Суть цього явища, яке було відкрито близько ста років тому, полягає в тому, що у деяких матеріалів при досить низьких температурах відсутнє електричне опір. Такі надпровідники відштовхують від себе магнітне поле. Саме на цьому грунтується ефектний демонстраційний досвід, коли маленький магніт левітірует, тобто парить, над надпровідників без будь-якої підтримки.

Довгий час фізики не могли пояснити це явище, так і практичного застосування йому не знаходилося. Але до середини минулого століття вчені нарешті змогли зрозуміти природу надпровідності. Стало ясно, що і промисловості дуже потрібні такі матеріали. Однак використовувати надпровідність не вдавалося з технічних і економічних причин, оскільки речовини треба було охолоджувати до дуже низьких температур.

Ситуація змінилася ближче до кінця минулого століття, коли було відкрито багато нових, незвичайних надпровідних сполук, що мають часом дивними властивостями. У деяких з них, так званих високотемпературних надпровідниках, явище виникало при набагато більш високих температурах, хоча все ще набагато нижче нуля за Цельсієм. І, тим не менше, високотемпературні надпровідники, з якими було простіше і дешевше працювати, стали активно входити в наше життя.

Сьогодні надпровідність використовують і в транспорті (монорельси), і в медицині (різні датчики, що знімають магнітокардіограмми і магнітоенцефалограмми), і при виробництві гігантських прискорювачів, і при будівництві експериментальних термоядерних реакторів. Безсумнівно, що використання надпровідності буде в найближчі роки розширюватися - взяти хоча б квантові комп'ютери, в яких без надпровідності не обійтися.

Однак до цих пір природа незвичайної високотемпературної надпровідності залишається для вчених загадкою. У звичайних надпровідниках надпровідність характеризується параметром порядку, який може залежати тільки від координат. Саме ж явище надпровідності з'являється в результаті тяжіння електронів поблизу заборонена зона через обмін фононами. Що ж стосується незвичайних (анізотропних) надпровідників, то в них параметр порядку може залежати від напрямки імпульсу, проте механізм утворення надпровідності в них до досі не зрозуміли. І хоча у вивченні незвичайної надпровідності вже досягнуто істотний прогрес - наприклад, повністю ідентифікований тип симетрії параметра порядку в високотемпературних надпровідниках, - незрозумілого і недосліджене в цій області ще дуже багато. Мої наукові інтереси пов'язані з вивченням цього кола проблем.

Я займаюся теоретичним вивченням високотемпературних надпровідників (високотемпературні купрати) і кіральних надпровідників (рутенат, надпровідний з'єднання з важкими Ферміон). Всі ці надпровідники сильно анізотропних. Як правило, я розглядаю неоднорідні системи, що складаються з анізотропних і звичайних надпровідників, нормальних металів, діелектриків та феромагнетиків. Це можуть бути зразки дуже маленьких розмірів, в яких важлива дискретна структура надпровідників, або контакти зі слабкою зв'язком між різними підсистемами, або зразки складної геометричної форми з анізотропних надпровідників. При вивченні таких систем зазвичай використовують метод Квазікласичне гріновських функцій або граткових моделі надпровідності з сильною зв'язком.

В більшості таких систем важливу роль відіграють андріївські пов'язані стану, які багато в чому визначають транспортні властивості контактів: джозефсонівських струм і низькоенергетичне частина кондактанса. (Зауважу, що розглядаються мною системи - це або контакти самі по собі, або їх потенційна складова частину.) Тому вкрай цікаво розглянути властивості спектрів квазічастічних збуджень в таких системах, особливо наявність і вид андріївські пов'язаних станів на кордонах розділів у надпровідниках, залежність їх спектрів від напрямку імпульсу на поверхні Фермі, наслідки інтерференції від різних пов'язаних станів у зразках складної форми. Асиметрія спектрів андріївські пов'язаних станів часто пов'язана з появою спонтанних струмів, які виникають на поверхнях розділу в системах з анізотропним надпровідниках. Якщо геометрична форма системи досить складна, то через спонтанні струмів можлива поява вихрових магнітних структур в областях вигину кордонів розділу.

Безумовно, цікаво теоретично вивчати ті параметри, які можуть бути експериментально виміряні. Для розглянутих систем це рівноважні і нерівноважні транспортні характеристики, а також щільність станів в зразку. Серед транспортних характеристик треба виділити джозефсонівських струм, для якого зазвичай розраховують залежності критичного струму від температури та/або магнітного поля, доданої до системи. Приклад нерівноважної транспортної характеристики різних контактів з анізотропним надпровідників - кондактанс. Форма кондактанса і різні особливості на його низькоенергетичне частині також пов'язані з параметрами спектрів пов'язаних станів, які, у свою чергу, різні для різних типів спаровування. Великий вплив на провідність контактів надає залежність прозорості бар'єру від напрямку імпульсу, скоррелірованная із залежністю від напрямку імпульсу спектрів пов'язаних станів. Цікаво подивитися, як впливає зовнішнє магнітне поле на всі досліджувані характеристики, тим більше, що зовнішнє магнітне полі - один з найбільш зручних "інструментів" для впливу на систему. Все це і стало предметом моїх наукових досліджень.

За останні три роки мені вдалося вивчити критичний джозефсонівських струм в уголкових SND (звичайний надпровідник-нормальний метал-високотемпературний надпровідник) контактах в магнітному полі, а також спектри андріївські пов'язаних станів і джозефсонівських струмів в симетричних тунельних контактах з кіральнимі надпровідниках. У результаті вдалося передбачити появу логарифмічної аномалії в низькотемпературної частини залежності критичного джозефсонівських струму від температури. Вдалося також з'ясувати, що положення піків у кондактансе тунельних SIN (надпровідник-тунельний бар'єр-стандартний метал) і SIS (надпровідник-тунельний бар'єр-надпровідник) контактів пов'язано з особливостями спектрів пов'язаних станів, і передбачити, що на цю зв'язок сильно впливає форма залежності прозорості тунельного бар'єру від напрямки імпульсу падаючих квазічастинка. Ще один важливий результат -- виявлення нетривіальністю ідентифікації андріївські пов'язаних станів у вузьких зволікання надпровідників і сильного ефекту парності в залежності від поперечної ширини зволікання.

Список літератури

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://elementy.ru/