За стеклом. Сверхпроводящим

Физики из РАН и МФТИ исследовали сверхпроводимость, увидели «сверхпроводящее стекло» и написали статью в Nature Physics

Николай Городецкий, София Нескучная, Алексей Паевский (МФТИ) 31.03.2014, 08:25
Здание Института теоретической физики имени Ландау в Черноголовке Wikimedia Commons
Здание Института теоретической физики имени Ландау в Черноголовке

Российские ученые из МФТИ и ИТФ РАН с коллегами увидели «сверхпроводящее стекло» и обнаружили много интересного и непонятного в системе из олова и графена. «Газета.Ru» рассказывает о результатах работы физиков, опубликованных в ночь на понедельник в ведущем научном журнале, и о том, зачем нужны такие исследования.

Согласно всем справочникам, сверхпроводимость — это свойство некоторых материалов обладать строго нулевым электрическим сопротивлением при достижении ими температуры ниже определенного значения (критическая температура). Все материалы по отношению к способности проводить электрический ток делятся на четыре класса — диэлектрики, полупроводники, металлы и сверхпроводники. Диэлектрики (или изоляторы) почти не проводят ток, если не приложить к ним большое напряжение. Однако есть вещества, которые переходят из одного состояния в другое при небольшом изменении состава или при ином слабом воздействии.

Переход системы из состояния «сверхпроводник» в состояние «металл» стал объектом исследования профессора Московского физико-технического института (МФТИ), заместителя директора Института теоретической физики имени Л.Д. Ландау (ИТФ РАН), д.ф.-м.н. Михаила Фейгельмана, его ученика Константина Тихонова (также работает в ИТФ РАН) и их коллег из Франции и Израиля.

Результаты работы опубликованы в журнале Nature Physics в ночь на понедельник по московскому времени.

Стойкий оловянный нанодиск

В ходе исследованного квантового фазового перехода речь идет о том, как основное (низкотемпературное) состояние системы меняется из сверхпроводящего в металлическое. Это происходит при изменении параметров, характеризующих взаимодействие элементов системы. Исследованная система представляет собой решетку из оловянных нанодисков (радиус одного такого диска составляет 200 нм), расположенных на подложке из графена — модификации углерода, которая представляет собой слой атомов углерода толщиной один атом (первые опыты с графеном проводили выпускники МФТИ Андрей Гейм и Константин Новоселов, за что в 2010 году они стали лауреатами Нобелевской премии по физике). Олово становится сверхпроводником при температурах меньших, чем T0 = 3,5 кельвина (почти -270°С).

Электрический контакт между оловянными нанодисками осуществляется за счет электронной проводимости графена. Наличие такого контакта, в частности, при температурах существенно ниже T0 позволяет описывать состояние одного нанодиска всего лишь единственной переменной — фазой. По аналогии с фазой для колебательного процесса эта фаза может принимать значение от 0 до 2π.

Сверхпроводящее состояние устанавливается тогда, когда нанодиски принимают одинаковые фазы по всей решетке.

Ответственными за формирование сверхпроводимости являются так называемые джозефсоновские контакты. В общем виде этим термином называют соединение сверхпроводников, разделенных тонким слоем диэлектрика, через который протекает сверхпроводящий ток. В случае с описываемой системой, которую исследовали российские ученые, джозефсоновские контакты образуют решетку, которая связывает нанодиски (сверхпроводники), между которыми происходит перенос пар электронов — куперовских пар. Самый распространенный механизм объяснения сверхпроводимости был предложен в 1957 году изобретателем транзистора Джоном Бардином вместе с Леоном Купером и Джоном Шриффером, по первым буквам фамилий ученых он получил название БКШ.

По БКШ, сверхпроводимость возникает вследствие объединения несущих ток электронов в пары, которое вызывается их взаимодействием с фононами.

Эти пары и называются куперовскими.

Что удалось увидеть ученым

Изменяя напряжение на специальном электростатическом затворе, авторы эксперимента могли через графен плавно менять плотность электронов проводимости в нем и тем самым силу джозефсоновских контактов между нанодисками олова. При этом в силу малой плотности носителей тока сам графен не портил сверхпроводящие свойства и их фазы нанодисков олова. Но корреляции фаз между нанодисками и, следовательно, их сверхпроводимость разрушаются тепловыми флуктуациями при температурах выше критической температуры Tc. Один из результатов ученых — измеренное значение Tc, которое получилось равным 0,7 кельвина. Этот результат находится в хорошем согласии с ранее развитой теорией, опубликованной в 2009 году в статье Михаила Фейгельмана, Константина Тихонова и его коллег в журнале Solid State Communications.

Но стоило экспериментаторам понизить электронную плотность в графене, как джозефсоновские связи начали ослабевать за счет увеличения сопротивления графеновых промежутков. В результате температура перехода в когерентное (то есть сверхпроводящее) состояние резко падала ниже минимальной температуры эксперимента (60 милликельвинов). Это и есть квантовый фазовый переход «сверхпроводник — металл», о котором говорилось выше. Пространственная когерентность фаз отдельных нанодисков разрушилась уже одними квантовыми (и независящими от температуры) флуктуациями фаз.

Еще раз обратим внимание, что это первое экспериментальное исследование такого перехода.

Основы теории такого фазового перехода были ранее разработаны Михаилом Фейгельманом и его коллегами в статье, опубликованной в Physical Review Letters в 2001 году.

Но готовой теории для того, чтобы объяснить поведение сопротивления решетки, которое в области самых низких доступных для измерений температур оказывается резко экспоненциально зависящим от напряжения на электрическом затворе, пока нет.

Наконец, в дополнение к указанному выше переходу «сверхпроводник — металл» авторы обнаружили состояние так называемого сверхпроводящего стекла.

При слове «стекло» не нужно думать, что речь идет о том, что пропускает видимое глазу человека излучение: собственно, сейчас стеклом называется любой материал независимо от его химического состава, который при охлаждении переходит из жидкого состояния в твердое без кристаллизации.

В случае «сверхпроводящего стекла» речь идет о его свойствах системы, которая становится более похожа на керамику.

В описываемом эксперименте «сверхпроводящее стекло» возникло вследствие беспорядка и фрустрации в джозефсоновских связях. При этом оно отвечает какому-то из минимумов суммарной энергии джозефсоновских контактов. Здесь управляющим параметром является напряженность внешнего магнитного поля. Конкуренция периодической зависимости от величины потока внешнего магнитного поля через элементарную ячейку решетки нанодисков и случайной зависимости от этого же параметра (из-за мезоскопических флуктуаций) приводит к так называемой фазовой диаграмме возвратного типа. Это значит, что величина максимального сверхпроводящего тока, протекающего через всю решетку, немонотонно зависит от внешнего магнитного поля: сначала убывает (вплоть до нуля), а потом вновь проявляется с ростом магнитного поля в некотором интервале его значений.

Зачем это нужно

Безусловно, описанная выше работа носит чисто фундаментальный характер. Но в перспективе сверхпроводники смогут полностью изменить жизнь людей, так как они теоретически позволяют передавать электрический ток на любые расстояния без каких-либо потерь.

Это явление уже нашло широкое применение.

Например, в создании электромагнитов для ускорителей заряженных частиц (в том числе и на Большом адронном коллайдере) или в ядерно-резонансной томографии — одном из наиболее передовых методов диагностики в медицине.