Высокотемпературные сверхпроводники

Высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП) — это класс материалов, обладающих свойством сверхпроводимости (нулевым электрическим сопротивлением и эффектом Мейснера) при температурах, превышающих так называемый «азотный барьер» (77 К, −196 °C), то есть выше температуры кипения жидкого азота. Открытие ВТСП в 1986 году стало прорывом в физике конденсированного состояния, так как до этого считалось, что сверхпроводимость возможна лишь при температурах, близких к абсолютному нулю (для классических сверхпроводников — ниже 30 К). Высокотемпературные сверхпроводники, как правило, являются керамическими материалами на основе оксидов меди (купратов), хотя существуют и другие классы, например, на основе железа или органических соединений. Механизм сверхпроводимости в ВТСП до сих пор не имеет общепринятого объяснения, что делает их одной из центральных проблем современной физики.

История открытия

Предпосылки и теория БКШ

Сверхпроводимость была открыта в 1911 году Хейке Камерлинг-Оннесом в ртути при температуре 4,2 К. В 1957 году Джон Бардин, Леон Купер и Роберт Шриффер разработали теорию сверхпроводимости (БКШ), объяснявшую это явление образованием куперовских пар за счёт электрон-фононного взаимодействия. Согласно БКШ, максимальная критическая температура (Tc) для сверхпроводника не может превышать 30–40 К, что подтверждалось экспериментами до 1986 года.

Открытие купратов

В 1986 году Георг Беднорц и Алекс Мюллер (IBM, Цюрих) обнаружили сверхпроводимость в керамике на основе лантана, бария и меди (La₂₋ₓBaₓCuO₄) при температуре около 35 К. За это открытие они были удостоены Нобелевской премии по физике в 1987 году. В 1987 году группа Пола Чу (Хьюстонский университет) синтезировала иттрий-бариевый купрат (YBa₂Cu₃O₇₋δ, YBCO) с Tc = 93 К, что впервые превысило температуру кипения жидкого азота. Это сделало сверхпроводимость доступной для практического применения с использованием дешёвого криоагента.

Дальнейшие открытия

В 1988 году были открыты висмутовые (Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O₁₀, Tc ≈ 110 К) и таллиевые (Tl₂Ba₂Ca₂Cu₃O₁₀, Tc ≈ 125 К) купраты. В 1993 году рекорд среди купратов был установлен для ртутьсодержащего соединения HgBa₂Ca₂Cu₃O₈₊δ (Tc ≈ 135 К при нормальном давлении, до 164 К под высоким давлением). В 2008 году была открыта сверхпроводимость в железосодержащих соединениях (например, LaFeAsO₁₋ₓFₓ, Tc ≈ 26 К), что стимулировало новый виток исследований.

Классификация

По составу

• Купраты (оксиды меди): наиболее многочисленный и изученный класс. Включают иттриевые (YBCO), висмутовые (BSCCO), таллиевые (TBCCO), ртутные (HgBCCO) и другие системы. Имеют слоистую структуру, ключевую роль играют плоскости CuO₂.
• Железосодержащие сверхпроводники: на основе арсенидов, селенидов или халькогенидов железа (например, FeSe, LiFeAs, SmFeAsO₁₋ₓFₓ). Обнаружены в 2008 году, имеют Tc до 56 К.
• Органические сверхпроводники: на основе ароматических углеводородов (например, пицен, допированный калием, Tc ≈ 18 К) или фуллеренов (C₆₀, допированный щелочными металлами, Tc до 40 К).
• Сверхпроводники на основе тяжёлых фермионов: например, CeCoIn₅ (Tc ≈ 2,3 К), не относятся к ВТСП, но имеют аномальные свойства.
• Экзотические ВТСП: включают гидриды (например, H₃S под давлением, Tc ≈ 203 К, и LaH₁₀, Tc ≈ 250 К), но они требуют экстремально высоких давлений (миллионы атмосфер).

По механизму спаривания

• Электрон-фононное спаривание: характерно для классических сверхпроводников и некоторых гидридов под давлением.
• Нетрадиционные механизмы: для купратов и железосодержащих ВТСП предполагается спаривание за счёт магнитных флуктуаций, спиновых волн или других экзотических взаимодействий. Механизм остаётся предметом дискуссий.

Устройство и свойства

Кристаллическая структура

Купратные ВТСП имеют перовскитоподобную слоистую структуру. Основной элемент — плоскости CuO₂, разделённые слоями-резервуарами (например, BaO, SrO, Bi₂O₂). Сверхпроводимость возникает именно в плоскостях CuO₂, а резервуары поставляют носители заряда (дырки или электроны). Для YBCO характерна орторомбическая структура с цепочками CuO.

Критическая температура (Tc)

Tc для ВТСП варьируется от 30 К до 164 К (под давлением). Для практического применения важны материалы с Tc > 77 К, так как жидкий азот дёшев и доступен. Рекорд при атмосферном давлении — 135 К для HgBa₂Ca₂Cu₃O₈₊δ.

Критический ток и магнитное поле

ВТСП обладают высокими критическими токами (Jc) и критическими магнитными полями (Hc2), что делает их пригодными для создания мощных магнитов. В отличие от низкотемпературных сверхпроводников (например, NbTi, Nb₃Sn), ВТСП могут работать в сильных полях (до 100 Тл и выше) при температурах жидкого азота.

Аномалии

• Псевдощелевая фаза: при температурах выше Tc, но ниже некоторой характерной температуры T*, в купратах наблюдается частичное подавление плотности состояний на уровне Ферми.
• Стриповая фаза: в некоторых купратах (например, La₂₋ₓSrₓCuO₄) при определённом допировании возникают одномерные полосы зарядовой и спиновой плотности, конкурирующие со сверхпроводимостью.
• d-волновое спаривание: в отличие от s-волнового спаривания в классических сверхпроводниках, в купратах куперовские пары имеют d-волновую симметрию, что приводит к анизотропии свойств.

Применение

Энергетика

• Силовые кабели: ВТСП-ленты (на основе BSCCO или YBCO) позволяют передавать электричество без потерь на сопротивление. В России и за рубежом реализованы пилотные проекты линий электропередачи на ВТСП (например, в Санкт-Петербурге, Москве, Нью-Йорке).
• Трансформаторы и ограничители тока: ВТСП-устройства могут ограничивать ток короткого замыкания без нагрева, что повышает надёжность сетей.
• Генераторы и двигатели: ВТСП-обмотки позволяют создавать компактные и мощные электромашины (например, для ветрогенераторов, судовых двигателей).

Магниты

• Медицинская диагностика: ВТСП-магниты для магнитно-резонансной томографии (МРТ) могут работать при охлаждении жидким азотом, что дешевле, чем гелиевое охлаждение.
• Научные исследования: ВТСП-магниты используются в ускорителях частиц (например, в проекте FAIR), в спектрометрах ядерного магнитного резонанса (ЯМР) и в установках для магнитного удержания плазмы (токамаки).
• Магнитная левитация: ВТСП-материалы применяются в поездах на магнитной подушке (например, в Японии, Китае), а также в экспериментальных транспортных системах.

Электроника

• Сверхпроводящие квантовые интерферометры (СКВИДы): на основе ВТСП используются для создания сверхчувствительных магнитометров (например, для геофизической разведки, медицинской магнитокардиографии).
• Цифровые схемы: на основе ВТСП разрабатываются быстродействующие логические элементы (RSFQ-логика), но коммерческое применение ограничено сложностью охлаждения.

Теоретические проблемы

Механизм сверхпроводимости

Несмотря на десятилетия исследований, механизм спаривания в купратах не установлен. Основные гипотезы:

• Магнитный механизм: спаривание за счёт обмена антиферромагнитными спиновыми флуктуациями.
• Экситонный механизм: спаривание через виртуальные экситоны (электрон-дырочные пары).
• Резонансно-валентная связь: модель, предложенная Филипом Андерсоном, предполагающая квантовую спиновую жидкость.
• Двухзонная модель: для железосодержащих сверхпроводников.

Псевдощель и квантовые фазовые переходы

Псевдощелевая фаза в купратах может быть связана с предобразованием куперовских пар или с конкуренцией между сверхпроводимостью и магнитным порядком. Квантовые фазовые переходы (например, из сверхпроводящего в изолирующее состояние) наблюдаются при изменении допирования.

Интересные факты

• Первый ВТСП-материал (La₂₋ₓBaₓCuO₄) был получен случайно при попытке синтезировать новый сегнетоэлектрик.
• Иттрий-бариевый купрат (YBCO) является первым материалом, продемонстрировавшим сверхпроводимость при температуре выше 77 К.
• В 2023 году была подтверждена сверхпроводимость в гидриде лантана (LaH₁₀) при температуре около 250 К, но под давлением более 170 ГПа, что делает его непригодным для практического применения.
• ВТСП-ленты на основе YBCO могут выдерживать токи до 1000 А на квадратный сантиметр сечения при 77 К.

Источники

• Беднорц Г., Мюллер А. «Сверхпроводимость в оксидах меди» (1986).
• Чу П. «Открытие иттрий-бариевого купрата» (1987).
• Андерсон Ф. «Теория высокотемпературной сверхпроводимости» (1987).
• Горьков Л. П. «Физика высокотемпературных сверхпроводников» (УФН, 1990).
• Мазур И. «Высокотемпературные сверхпроводники: свойства и применение» (2010).
• Каганов М. «Сверхпроводимость: от открытия до ВТСП» (2015).