Проблема сверхпроводимости при высоких температурах занимает одно из центральных мест в современной физике. Так, во всяком случае, полагал нобелевский лауреат, академик РАН В. Л. Гинзбург, когда читал нобелевскую лекцию, обратившись к молодым физикам с призывом создать теорию сверхпроводимости при комнатной температуре. Интерес к сверхпроводимости проявляют не только ученые, занимающиеся фундаментальными исследованиями, но и инженеры – Philips и Kavli не так давно создали сверхпроводящий транзистор, а Hypres так даже освоила сверхпроводящие технологии в применении к сотовой связи. Но все-таки задача создания материалов, которые бы проявляли сверхпроводящие свойства при комнатной температуре, по-прежнему не решена, а самое главное – нет четкого понимания сути явления т. н. высокотемпературной (при температуре кипения жидкого азота ~77 К) сверхпроводимости, например, в купратах (соединениях меди).
На фото: фотография легированного купрата, сделанная СТМ. Белым цветом отмечаны примесные атомы кислорода
Команда ученых из Корнелльского Университета (Cornell University) в ходе исследований влияния легирующих добавок на сверхпроводящие свойства выявили, что легирование купратов, являющихся диэлектриками, может как привести к высокотемпературной сверхпроводимости, так и сделать невозможным проявление каких-либо сверхпроводящих свойств.
Атомы легирующих добавок играют роль доноров носителей заряда – электронов или «дыр», например, оксид висмута-стронция-кальция-меди (Bi2Sr2CaCu2O8+x) или Bi-2212, являющийся диэлектриком, проявляет сверхпроводящие свойства при добавлении дополнительного атома кислорода, играющего роль источника «дыр». Дальнейшее легирование оказывает влияние на критическую температуру (при которой проявляется сверхпроводимость – нулевое сопротивление постоянному току). В теории низкотемпературной сверхпроводимости показано, что явление сверхпроводимости обусловлено образованием куперовских пар из двух электронов с противоположным спином таким образом, что результирующий спин пары получается равным нулю и такой носитель становится способен распространяться без взаимодействия с кристаллической решеткой (если электрический ток – постоянный), что и выражается в нулевом сопротивлении.
Если при низких температурах (около 4 К) сверхпроводимость объясняется наличием куперовских пар, то с высокотемпературной сверхпроводимостью понятно далеко не все – образование стабильных куперовских пар на высокой температуре невозможно, хотя в свое время было высказано предположение о том, что такие пары все-таки образуются, но их число постоянно флуктуирует, а время жизни невелико.
Последнее исследование ученых из Корнелльского университета показывает, что легирование Bi-2212 приводит к «разупорядочиванию» электронов (electronic disorder), причем с применением сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) удалось разглядеть индивидуальные атомы примеси, вокруг которых электронная плотность отличается от того, что можно было бы ожидать в чистом купрате. Это наблюдение подтвердило теоретический расчет Питера Хиршфилда со товарищи из Университета Флориды, предсказавшего, что присутствие легирующих атомов искажает локальную атомную и электронную структуру. Это приводит к заметному изменению локального парного взаимодействия, которое определяет величину кинетической энергии (зависящей от температуры), при которой куперовская пара разрушается.
Если расчет верен, то контролируя положение атомов примеси, можно достичь больше критической температуры, что и было показано Хироши Эйсаки (Hiroshi Eisaki) и Шин-Ичи Учида (Shin-ichi Uchida), которым путем минимизации «электронного разупорядочивания», вызванного присутствием примеси, удалось довести критическую температуру Bi-2212 практически до 100 Кельвин.