Физики объяснили, почему сверхпроводимость становится двумерной под действием сильного магнитного поля

Сверхпроводимость — это переход вещества в состояние, при котором электрическое сопротивление исчезает. Это явление наступает при охлаждении ниже некой определенной температуры, а в достаточно сильных магнитных полях пропадает. Физики до сих пор не сформулировали полную теорию сверхпроводимости, хотя многие ученые развили частные теории — среди них отмеченные Нобелевской премией советские и российские исследователи: Алексей Абрикосов и Виталий Гинзбург. Читайте также: Сверхпроводники: теория, практика и дальше. К юбилею физика Алексея Абрикосова Сверхпроводником может быть не только чистый металл — например, ртуть. В 1986 году Карл Мюллер и Георг Беднорц обнаружили сверхпроводящие свойства у купратов — соединений меди с рядом других элементов. Охладив вещество с химической формулой LaxBaxCuO4 до 35 кельвин, ученые перевели его в сверхпроводящее состояние. Это открытие привело к настоящему буму работ по купратам и их свойствам. Менее чем за два года физики нашли и формулу для купрата, который терял сопротивление уже при 92 кельвинах — это означало, что сверхпроводники можно охлаждать жидким азотом, который намного удобнее в обращении по сравнению с жидким гелием, который ученые использовали ранее. Сейчас ученые не столько пробуют перебрать опытным путем возможно большее число материалов, сколько пытаются создать достаточно универсальную теорию сверхпроводимости: и для этого изучают свойства тех или иных веществ при низких температурах. В новой статье американские физики исследовали материал из класса купратов с формулой La2-хBaxCuO4 (сравните с LaxBaxCuO4). Они выбрали кристаллы с x = 0,125. Рентгеновский анализ подтвердил, что формула образца действительно La1,875Ba0,125CuO4. Далее эти кристаллы поместили в криостат, устройство для поддержания особо низких температур, и там подвергли действию сильных магнитных полей — вплоть до 30 тесла. Мощный магнит в медицинском томографе, для сравнения, дает поле «всего» в несколько тесла; физики использовали магнит поменьше, но посильнее. Читайте также: Вблизи критической температуры все пошло не так. У сверхпроводников нашли неизвестную особенность Как и ожидалось, в таких условиях материал перестал быть сверхпроводником и приобрел электрическое сопротивление. Но когда поле увеличивали еще сильнее, то кристалл купрата снова перешел в сверхпроводящее состояние. Кроме того, в нем не наблюдался эффект Холла, то есть сдвиг носителей заряда в сторону под действием магнитного поля. Во всех обычных проводящих средах магнитное поле отклоняет носители заряда в сторону, причем этот эффект заметен даже без использования сложной лабораторной техники. Датчики, регистрирующие эффект Холла, стоят в автомобилях и во многих смартфонах. Простое и точное измерение магнитного поля позволяет и определять положение металлического вала, и ориентироваться по сторонам света: электронный компас в телефоне работает именно на эффекте Холла. У полученного учеными материала эффект Холла отсутствовал. Объяснить этот феномен и заодно то, почему исчезнувшая сверхпроводимость затем вернулась, ученые смогли в рамках отдельного теоретического исследования. Они считают, что купрат в сильном магнитном поле превращается в обычный проводник не сразу, а через некоторую промежуточную стадию. В частности, при этом носители заряда уже не могут двигаться согласованно, но участки с большей их концентрацией переносчиков заряда, которые связаны между собой в пары, еще сохраняются. Эти участки называют волнами плотности куперовских пар. Куперовские пары — это связанные между собой электроны или дырки. Вместе два электрона или же два вакантных места у атомов кристаллической решетки (атом без одного электрона приобретает положительный заряд и формально перескок электрона к нему можно рассматривать и как движение положительной «дырки») приобретают способность двигаться по материалу без сопротивления. Именно этим объясняется сверхпроводимость в теории Бардина—Купера—Шриффера (БКШ-теории). БКШ-теория говорит, что в сверхпроводниках должны быть куперовские пары, а новые эксперименты указывают на то, что наличие таких пар еще не является достаточным условием для сверхпроводимости. Читайте также: Гейзенберг был прав. Физики снова подтвердили правильность квантовой механики На то, что в образце купрата при низкой температуре и в сильном магнитном поле сохранялись куперовские пары, указывает отсутствие эффекта Холла. Магнитное поле не отклоняет частицы там, где куперовскую пару формируют не просто два электрона, а пара электрона и дырки. В совокупности у них нулевой заряд и движутся они так, как двигалась бы нейтральная частица. Схожий эффект наблюдался в некоторых других опытах, поэтому ученые отмечают, что это, судя по всему, достаточно универсальное явление: «сверхпроводящие частицы без сверхпроводимости». При этом, как пишут авторы новых статей, сверхпроводимость не сохранялась из-за потери согласованности в движении пар. Ответ на вопрос «почему так происходит» дает слоистая структура купрата: слои из атомов меди вперемешку с кислородом чередуются со слоями бария и лантана. Когда бария достаточно много, слои оказываются разделены так, что сверхпроводящий ток может протекать только в их плоскости, но не в перпендикулярном направлении — сверхпроводимость становится двумерной. Более того: в каждом слое также выделяются полосы, внутри которых может формироваться достаточное количество куперовских пар. Но и этот эффект пропадает, если внешнее поле слишком велико или если температура превышает критическое значение. Наблюдения за кристаллом купрата при разных условиях позволяют лучше понять природу сверхпроводимости. Маловероятно, что это быстро выведет ученых на синтез сверхпроводников, которые могут работать при комнатной температуре (многие физики в принципе сомневаются в том, что такие могут существовать), однако полная теория сверхпроводников до сих пор остается одной из фундаментальных задач науки и любые новые экспериментальные данные существенно помогут ученым.