Явление сверхпроводимости при высоких температурах

Сверхпроводимость при высоких температурах (высокотемпературная сверхпроводимость, ВТСП) — это физическое явление, заключающееся в переходе некоторых материалов в состояние сверхпроводимости (нулевое электрическое сопротивление и выталкивание магнитного поля) при температурах, значительно превышающих температуру кипения жидкого гелия (4,2 К). В отличие от классической сверхпроводимости, открытой в 1911 году и объясняемой теорией БКШ (Бардина — Купера — Шриффера), высокотемпературная сверхпроводимость наблюдается при температурах выше 30 К (так называемый «предел Макмиллана»), а в некоторых соединениях — при температурах, превышающих 100 К, что позволяет использовать в качестве хладагента жидкий азот (77 К). Явление было впервые обнаружено в 1986 году, что стало одним из важнейших открытий в физике конденсированного состояния.

История открытия

Предпосылки и теоретические ограничения

До середины 1980-х годов считалось, что максимальная критическая температура сверхпроводника не может превышать 30–40 К. Теория БКШ, разработанная в 1957 году, объясняла сверхпроводимость образованием куперовских пар за счёт электрон-фононного взаимодействия. Согласно оценкам, для такого механизма температура перехода (Tc) не может быть выше 30–40 К (так называемый «предел Макмиллана»). Однако в 1960–1970-х годах были открыты сверхпроводники с Tc около 23 К (Nb3Ge), что не нарушало теоретических ограничений, но указывало на возможность их преодоления.

Открытие 1986 года

В 1986 году физики Георг Беднорц и Алекс Мюллер (IBM Research Laboratory, Цюрих) обнаружили сверхпроводимость в керамическом оксиде лантана, бария и меди (La₂₋ₓBaₓCuO₄) с Tc около 35 К. За это открытие они были удостоены Нобелевской премии по физике в 1987 году. Работа показала, что сверхпроводимость возможна в материалах, не являющихся металлами, и при температурах, значительно превышающих предел Макмиллана.

«Азотный рубеж» и последующие открытия

В 1987 году группа учёных под руководством Пола Чу (Хьюстонский университет) синтезировала соединение YBa₂Cu₃O₇₋δ (иттрий-бариевый купрат, YBCO) с Tc около 93 К. Это значение превышало температуру кипения жидкого азота (77 К), что открыло возможность практического применения сверхпроводников без дорогостоящего жидкого гелия. В последующие годы были открыты другие семейства высокотемпературных сверхпроводников: висмутовые (Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O₁₀, Tc ≈ 110 К), таллиевые (Tl₂Ba₂Ca₂Cu₃O₁₀, Tc ≈ 125 К) и ртутные (HgBa₂Ca₂Cu₃O₈₊δ, Tc ≈ 134 К при нормальном давлении). В 2008 году было обнаружено новое семейство — железосодержащие сверхпроводники (например, LaFeAsO₁₋ₓFₓ, Tc до 56 К).

Классификация высокотемпературных сверхпроводников

По химическому составу

Купратные сверхпроводники — наиболее изученный класс. Основу составляют медно-кислородные плоскости (CuO₂), которые, как считается, ответственны за сверхпроводимость. Примеры: YBa₂Cu₃O₇₋δ, Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O₁₀, HgBa₂Ca₂Cu₃O₈₊δ.
Железосодержащие сверхпроводники — открыты в 2008 году. Содержат слои из железа и мышьяка (или селена, теллура). Примеры: LaFeAsO₁₋ₓFₓ, BaFe₂As₂, FeSe.
Органические сверхпроводники — некоторые органические соли (например, (BEDT-TTF)₂Cu(NCS)₂) проявляют сверхпроводимость при температурах до 12–15 К, что формально не относится к ВТСП, но близко по механизму.
Другие экзотические системы — например, сверхпроводники на основе углерода (C₆₀, допированный щелочными металлами, Tc до 40 К) или гидриды (H₃S, Tc ≈ 203 К при высоком давлении).

По типу механизма спаривания

Хотя единого мнения о механизме ВТСП нет, выделяют несколько гипотез:

Электрон-фононное взаимодействие — классический механизм, но для купратов он не объясняет высокие Tc.
Магнитный механизм — спаривание электронов через спиновые флуктуации (антиферромагнитные корреляции). Наиболее популярная гипотеза для купратов.
Экситонный механизм — спаривание через поляризацию решётки (экситоны).
Другие механизмы — например, связанные с волнами зарядовой или спиновой плотности.

Физические свойства и механизмы

Фазовая диаграмма купратов

Купратные сверхпроводники демонстрируют сложную фазовую диаграмму. При низком уровне легирования (добавления примесей) они являются антиферромагнетиками. При увеличении концентрации носителей заряда (дырок или электронов) возникает сверхпроводимость, которая достигает максимума Tc при оптимальном легировании. При дальнейшем легировании сверхпроводимость подавляется, и материал переходит в нормальное металлическое состояние. В области сверхпроводимости часто наблюдается так называемая «псевдощелевая фаза» — состояние с частичным подавлением электронных возбуждений.

Нулевое сопротивление и эффект Мейснера

Как и для классических сверхпроводников, для ВТСП характерны два основных свойства:

Нулевое электрическое сопротивление — при T < Tc сопротивление падает до нуля (экспериментально измеряется как < 10⁻¹⁸ Ом·см).
Эффект Мейснера — полное выталкивание магнитного поля из объёма образца (диамагнетизм). Однако для ВТСП этот эффект может быть частичным из-за неоднородностей.

Тип сверхпроводимости

Все известные высокотемпературные сверхпроводники относятся к сверхпроводникам II рода. Они имеют два критических магнитных поля: Hc1 (нижнее) и Hc2 (верхнее). При полях между Hc1 и Hc2 магнитное поле проникает в образец в виде вихрей Абрикосова (квантованных магнитных потоков). Верхнее критическое поле Hc2 для ВТСП очень велико (до 100–200 Тл), что делает их перспективными для создания сильных магнитов.

Анизотропия

Купратные сверхпроводники обладают ярко выраженной анизотропией свойств из-за слоистой структуры. Сверхпроводимость в основном протекает в плоскостях CuO₂, а перпендикулярно плоскостям проводимость значительно ниже. Это приводит к тому, что критический ток и критическое поле зависят от ориентации кристалла.

Проблемы и нерешённые вопросы

Отсутствие единой теории

Несмотря на более чем 30 лет исследований, единая микроскопическая теория высокотемпературной сверхпроводимости до сих пор не создана. Основные трудности связаны с сильными электронными корреляциями, которые не описываются стандартной теорией БКШ. Различные модели (t-J-модель, модель Хаббарда, спин-флуктуационная теория) дают частичные объяснения, но не могут полностью описать все наблюдаемые явления.

Технологические ограничения

Хрупкость керамики — большинство ВТСП — это керамические материалы, которые трудно обрабатывать и изготавливать в виде проводов или лент.
Проблема вихрей — при высоких токах и полях вихри Абрикосова начинают двигаться, что приводит к появлению сопротивления (эффект «крипа»). Для подавления этого эффекта вводят искусственные центры пининга (дефекты).
Стоимость — хотя жидкий азот дешевле гелия, производство качественных ВТСП-лент (например, YBCO) остаётся дорогим.

Применение

Энергетика

Силовые кабели — сверхпроводящие кабели на основе ВТСП позволяют передавать большие токи без потерь. В России и мире существуют опытные линии (например, проект «Сверхпроводящий кабель» в Санкт-Петербурге).
Трансформаторы — сверхпроводящие трансформаторы компактнее и легче обычных, имеют меньшие потери.
Токоограничители — устройства, ограничивающие ток короткого замыкания, на основе ВТСП.

Медицина

Магнитно-резонансная томография (МРТ) — сверхпроводящие магниты на основе ВТСП могут работать при более высоких температурах, что упрощает систему охлаждения. Однако пока в МРТ доминируют низкотемпературные сверхпроводники (NbTi).

Научные исследования

Сверхпроводящие магниты — для ускорителей частиц, установок термоядерного синтеза (например, токамак ITER).
Сверхпроводящие квантовые интерферометры (СКВИДы) — высокочувствительные датчики магнитного поля, используемые в геофизике, медицине и материаловедении.

Транспорт

Маглев-поезда — поезда на магнитной подушке, использующие сверхпроводящие магниты. В Японии и Китае разрабатываются проекты на основе ВТСП.

Перспективы

Комнатная сверхпроводимость

Главная цель исследований — создание сверхпроводника, работающего при комнатной температуре (около 300 К). В 2020 году было заявлено об открытии сверхпроводимости в углеродсодержащем гидриде серы (C-S-H) при температуре около 288 К, но под давлением около 267 ГПа. Эти результаты остаются спорными и требуют воспроизведения. В 2023 году появились сообщения о сверхпроводимости в соединении LK-99 (свинец-апатит), но они были опровергнуты. На данный момент комнатная сверхпроводимость при нормальном давлении не достигнута.

Технологические прорывы

Развитие методов синтеза (например, эпитаксиальное выращивание плёнок) и легирования позволяет улучшать характеристики ВТСП. Создание гибких лент второго поколения (2G HTS) на основе YBCO делает возможным промышленное производство.

Источники

Беднорц Г., Мюллер К. А. «Сверхпроводимость в оксидах меди» // Успехи физических наук, 1988.
Чу П. «Высокотемпературная сверхпроводимость: от открытия до применения» // Физика низких температур, 2007.
Левин К. «Теория высокотемпературной сверхпроводимости» // Springer, 2015.
Гинзбург В. Л. «О сверхпроводимости при высоких температурах» // Успехи физических наук, 2004.
Материалы конференции «Applied Superconductivity Conference» (ASC), 2020–2023.
Научные статьи в журналах Nature, Science, Physical Review Letters (1986–2024).

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →