Рутенат стронцію може виявитися сверхпроводником 1,5-го роду • Юрій Ерін • Новини науки на "Елементи" • Фізика

Рутенат стронцію може виявитися сверхпроводником 1,5-го роду

Мал. 1. Структура вихору в розрізі (vortex structure). Він являє собою нормальну серцевину розміром приблизно в дві довжини когерентності, навколо якої обертаються незгасаючі надпровідні струми з щільністюJs, Що охоплюють область порядку лондоновской глибини проникнення λ. На малюнку також демонструється, як швидко змінюється число надпровідних електронів (number of superelectrons) у міру наближення до ядра вихору (нижній, смугастий, графік) І як зростає напруженість магнітного поляH у міру просування до центру вихору (верхній графік). Показано, що характерна глибина проникнення магнітного поля дорівнює л. Зображення з сайту www.msm.cam.ac.uk

Надпровідні речовини в залежності від реакції на вплив зовнішнього магнітного поля поділяються на надпровідники 1-го і 2-го роду. У 2004 році було висловлено припущення, що диборид магнію MgB2 може вести себе в магнітному полі якимось особливим чином, через що він отримав назву надпровідника 1,5-го роду. Однак експериментальних підтверджень існування такого роду надпровідності отримано не було, і диборид магнію до теперішнього часу залишався єдиним кандидатом в надпровідники 1,5-го роду.Колектив вчених з США і Швеції теоретично показав, що полуторний рід надпровідності може мати місце в рутенате стронцію Sr2RuO4.

У міру того як накопичувалися і еволюціонували знання вчених про явище надпровідності, пропонувалися нові способи класифікації речовин, які володіють цим ефектом. Одна з перших схем, по якій були розділені всі надпровідні матеріали, враховувала механізм реакції надпровідника на зовнішнє магнітне поле. Справа в тому, що надпровідний стан можна зруйнувати, не тільки нагрів матеріал вище критичної температури Tc, Але і помістивши його в магнітне поле з індукцією вище критичної позначки Bc (До цього надпровідник є ідеальним діамагнетиком, см. Ефект Мейснера, тобто абсолютно не впускає в себе магнітне поле).

Однак, як показали теоретичні розрахунки, виконані в 1957 році Олексієм Абрикосовим і підтверджені в експериментах 1967 групою німецьких дослідників, при певному співвідношенні параметрів, що характеризують надпровідний стан, його деструкція протікає більш складним чином.Цими визначальними параметрами є довжина когерентності ξ і лондоновских глибина проникнення магнітного поля λ.

Щоб зрозуміти, що таке довжина когерентності, розглянемо феномен надпровідності на мікроскопічному рівні. Відповідно до загальноприйнятої теорії БКШ, виникнення надпровідності обумовлено об'єднанням електронів провідності в так звані куперовские пари. Взагалі-то, електрони є однойменно зарядженими частинками і тому повинні відштовхуватися, однак при температурі нижче критичної ці частинки починають обмінюватися квантами коливального руху іонів кристалічної решітки речовини – фононами. Ця взаємодія, зване електрон-фононною, носить характер тяжіння і з надлишком компенсує наявне електростатичне відштовхування. Об'єднання в пари дозволяє електронам провідності синхронно вести себе при накладенні електричного поля (включенні струму) і, відповідно, без втрати енергії рухатися через кристалічну решітку речовини. Так і виникає одна з ознак надпровідності – нульовий опір, або, що те ж саме, нескінченна провідність.

Повернемося тепер до визначення довжини когерентності.Цю величину, дещо спрощуючи, можна інтерпретувати як своєрідний розмір куперовской пари. У різних надпровідників ця величина приймає різні значення – від декількох нанометрів до кількох мікрометрів при температурі абсолютного нуля. З ростом температури довжина когерентності для даного надпровідника монотонно збільшується, приймаючи нескінченно велике значення при температурі Tc.

Як було сказано вище, крім нульового опору ще одним атрибутом надпровідності є ідеальний диамагнетизм. Виявляється, досягається це абсолютне "неприйняття" магнітного поля за рахунок його екранування за допомогою незатухаючих струмів, що циркулюють по поверхні надпровідника. Товщина шару, на яку ці циркулюють струми проникають всередину надпровідника, і є лондоновских глибина проникнення магнітного поля λ. Як і довжина когерентності, ця характеристика унікальна для кожного надпровідного речовини, змінюючись від декількох десятків нанометрів до значень порядку мікрометра при температурі абсолютного нуля.

Тепер можна повернутися до критерію поділу надпровідників.Абрикосов розрахував, що якщо у надпровідника відношення глибини проникнення магнітного поля до довжини когерентності менше, ніж 1 / √2, то руйнування надпровідності під дією зовнішнього магнітного поля відбувається практично відразу після того, як індукція поля перевищила Bc. Надпровідник з такими характеристиками називається сверхпроводником 1-го роду.

Мал. 2. Перше зображення вихровий решітки. чорні області відповідають вихором. Зображення зі статті U. Essmann, H. Trauble, Physics Letters 24A, 526 (1967)

Якщо ж відношення λ / ξ у надпровідника більше 1 / √2, то процес руйнування надпровідності стає більш складним. Поки індукція магнітного поля не перевищує нижнє критичне значення Bc1, Надпровідний зразок не впускає в себе силові лінії (ідеальний диамагнетизм). Однак більш сильне поле проникає всередину матеріалу у вигляді вихрових ниток, відомих як Абрикосівська вихори або просто вихори (рис. 1). Кожен вихор є нормальну (ненадпровідний) циліндричної форми серцевину, витягнуту вздовж напрямку силових ліній магнітного поля і оточену циркулюючими незатухающими сверхпроводящими струмами.Проникаючи в надпровідник, вони відштовхуються один від одного (чим ближче, тим сильніше) і утворюють на його поверхні стабільну структуру – трикутну вихрову решітку (рис. 2).

При фіксованій температурі і наступному зростанні індукції магнітного поля кількість цих вихорів стає більше, що призводить до скорочення відстані між ними. Коли індукція магнітного поля досягає значення Bc2, Поверхнева щільність вихорів стає настільки великою, що їх нормальні ядра перекриваються між собою, остаточно знищуючи надпровідність в зразку. Матеріал з такою реакцією на магнітне поле називають сверхпроводником 2-го роду.

Зауважимо, що іноді поведінка надпровідника 1-го роду в магнітному полі вище Bc також описують за допомогою вихрових структур. Умовно вважається, що, коли поле перевищує критичне значення Bc, Проникаючі в надпровідник 1-го роду вихори притягуються між собою (чим ближче, тим сильніше) і утворюють нормальні області, які повністю покривають поверхню надпровідного матеріалу.

Отже, підіб'ємо проміжні підсумки: в надпровідниках 1-го роду в магнітному полі вище критичної позначки Bc проникаючі в матеріал вихори притягуються між собою, при цьому чим ближче вони один до одного розташовані, тим сильніше це взаємодія. За рахунок цього тяжіння такої надпровідник практично відразу переходить в нормальний стан. У надпровідниках 2-го роду проникнення магнітного поля у вигляді вихорів відбувається, коли індукція перевищила поріг нижнього критичного поля Bc1. завдяки отталкиванию між вихорами, яке стає тим сильніше, чим ближче ці освіти один до одного розташовані, на поверхні надпровідника утворюється трикутна вихрова решітка. У міру зростання індукції зовнішнього поля при фіксованій температурі кількість проникли вихорів збільшується. Якщо індукція перевищила поріг верхнього критичного поля Bc2, Вихорів стає так багато, що їх нормальні ядра перекриваються, переводячи тим самим матеріал в нормальний стан.

Надпровідність 1,5-го роду

У 2001 році колектив японських вчених виявив надпровідність в дибориде магнію MgB2. Це відкриття привернуло величезну увагу фахівців, що займаються вивченням фізики конденсованого стану. Причини підвищеного інтересу до надпровідного стану цієї речовини криються не тільки в його простий хімічною формулою іне тільки в тому, що його критична температура досить висока і становить 39 К (багато надпровідники з високою Tc являють собою дуже складні хімічні сполуки), а й в особливостях структури надпровідності в ньому. Численні експерименти незалежних груп вчених показали, що надпровідність в цій речовині і його висока критична температура обумовлені наявністю двох "сортів" куперовских пар, взаємодія між якими забезпечує істотне підвищення критичної температури. Такі надпровідники в літературі отримали назву двозонних.

Наявність двох "сортів" куперовских пар спонукало вчених "переісследовать" відомі теорії різних явищ для подібних надпровідників в надії виявити який-небудь цікавий ефект, який не мав би місця в звичайних надпровідниках з одним видом куперовских пар. І дійсно, в 2004 році Єгор Бабаєв і його колега Мартін Спейт виявили, що механізм впливу магнітного поля на двозонний надпровідник, зокрема MgB2, Ще складніше, ніж на надпровідники 2-го роду (Egor Babaev, Martin Speight, 2004. Semi-Meissner state and neither type-I nor type-II superconductivity in multicomponent superconductors).

У своїй роботі вони передбачили існування за певних інтервалах індукції зовнішнього магнітного поля неоднорідною вихровий решітки в надпровіднику, яка може проявити себе у вигляді утворення вихрових кластерів, щільних скупчень вихорів на обмеженій ділянці поверхні або просто нерівномірного розподілу вихорів. Згідно з розрахунками цих учених, всі ці вихрові структури формуються завдяки немонотонної залежності сили взаємодії вихорів від відстані між ними. В ході подальших теоретичних досліджень з'ясувалося, що дана сила за своєю поведінкою є своєрідним аналогом міжмолекулярних сил, що діють між атомами. Простіше кажучи, вихори в двозонних надпровідниках притягуються на великих відстанях (як в надпровідниках 1-го роду) і відштовхуються на малих (як в надпровідниках 2-го роду). Внаслідок такого характеру сили взаємодії можуть виникати незвичайні структури вихровий решітки.

У 2009 році група бельгійських експериментаторів під керівництвом Віктора Мощалкова опублікувала в одному з найпрестижніших фізичних журналів Physical Review Letters роботу, де експериментально підтвердила існування неоднорідного розподілу вихорів в MgB2, Як це передбачали Єгор Бабаєв і Мартін Спейт. Автори даної статті назвали надпровідник з подібним відгуком на магнітне поле сверхпроводником 1,5-го роду (див. Експериментально доведено існування надпровідності полуторного роду, "Елементи", 12.03.2009).

Справедливості заради треба сказати, що дана робота викликала неоднозначну реакцію серед фахівців (див. Експериментальне підтвердження надпровідності полуторного роду відкладається, "Елементи", 10.06.2010). Опускаючи багато подробиць, відзначимо, що головна причина такої реакції полягала в тому, що до цих пір ніхто, крім цієї групи, так і не отримав експериментальних свідчень існування неоднорідною вихровий решітки в MgB2 в тому вигляді, в якому її побачила група Віктора Мощалкова.

В кінцевому підсумку суперечки перемістилися в теоретичну область (див. Надпровідність 1,5-ої особи: ні два, ні півтора, "Елементи", 11.11.2010). У період з 2009 по 2012 рік було опубліковано кілька робіт, в яких наводилися аргументи як на підтвердження існування надпровідності 1,5-го роду, так і на підтвердження неможливості її існування.Особливо гарячі суперечки мали місце між групою теоретиків під керівництвом Єгора Бабаєва, першовідкривача надпровідності 1,5-го роду, і колективом вчених в особі Володимира Когана і Йорга Шмаліана (див .: Egor Babaev, Mihail Silaev, 2012. Comment on "Ginzburg-Landau theory of two-band superconductors: Absence of type-1.5 superconductivity "і VG Kogan, Jörg Schmalian, 2012. Reply to" Comment on "Ginzburg-Landau theory of two-band superconductors: Absence of type-1.5 superconductivity" ").

Надія на те, що існування даного роду надпровідності буде підтверджено, виникла після відкриття "залізних" надпровідників (див .: Відкрито новий тип високотемпературних надпровідників, "Елементи", 12.05.2008 та Знайдено нове сімейство надпровідників, що містять залізо, "Елементи", 31.10 .2008), які, як показали численні експерименти, мають два – а деякі навіть і три (!) – "сорти" куперовских пар. Однак параметри цих надпровідників на основі заліза виявилися такі, що, незважаючи на їх Багатозонне, надпровідність 1,5-го роду в них, по всій видимості, реалізуватися не зможе ні за яких умов. Таким чином, з моменту передбачення надпровідників 1,5-го роду єдиним претендентом на це звання залишався тільки диборид магнію.

Рутенат стронцію – другий кандидат в надпровідники 1,5-го роду

І ось через 8 років після піонерської публікації про можливе існування надпровідності 1,5-го роду в одному з останніх випусків журналу Physical Review B з'явилася теоретична стаття, згідно з якою "самотність" диборида магнію як кандидата в надпровідники 1,5-го роду може "розбавити" з'єднання під назвою рутенат стронцію Sr2RuO4.

Необхідно відразу обмовитися, що Sr2RuO4 – в певному сенсі унікальний надпровідник. Як ви пам'ятаєте, на початку цієї замітки згадувалися різні способи класифікації надпровідників. Один з них, як уже було сказано, – по реакції на зовнішнє магнітне поле. Іншим, більш відомим способом поділу надпровідників є їх диференціація за величиною критичної температури (див., Наприклад, таблицю в новини Джерелом високотемпературної интерфейсной надпровідності виявився атомарний шар оксиду міді, "Елементи", 13.11.2009). Нарешті, є ще один тип класифікації, який полягає в розподілі надпровідників за структурою куперовской пари, яка, можна сказати, "надихає" саме явище надпровідності.

Куперовськие пари є квантовими об'єктами, властивості яких описуються спеціальної фізичної характеристикою – хвильової функцією (квадрат модуля цієї функції показує ймовірність виявити цей об'єкт в заданій ділянці простору; з деякою натяжкою можнасказати, що ця функція аналогічна залежності координат від часу для класичного об'єкта). Довгий час з моменту відкриття надпровідності було відомо, що куперівська пара – це об'єднання електронів з протилежно спрямованими спинами. Матеріали з таким типом спаровування електронів фізики називають спін-синглетними s-хвильової сверхпроводниками. Добавка "хвильової" з'являється через те, що, як уже було сказано, куперовские пари описуються хвильової функцією, а приставка "s"Означає, що їх орбітальний момент (момент імпульсу) дорівнює нулю, тобто вони, спрощено кажучи, не обертаються навколо свого центру мас.

Після того як в 1986 році були відкриті високотемпературні надпровідники (ВТНП) на основі міді, експериментальні дослідження показали, що хоча в цих речовинах електрони спаровуються, маючи протилежно спрямовані спини, куперовские пари все-таки відрізняються від таких для відомих раніше надпровідників. Відмінність ця полягає в тому, що електронні пари в ВТНП обертаються, при цьому їх орбітальний момент в спеціальних одиницях дорівнює 2. ВТНП на основі міді були названі незвичайними (в науковій літературі є вдалий англійський термін "unconventional") спін-синглетними d-хвильової сверхпроводниками. символ "d"Вказує на те, що орбітальний момент куперовских пар дорівнює 2. Іншими словами, крім власного обертання електронів (спін), куперівська пара має ще обертанням навколо свого центру мас (орбітальний момент).

У 1994 році була відкрита надпровідність в рутенате стронцію. Незважаючи на те що його критична температура дуже низька, приблизно 1,5 К, це відкриття привернуло увагу фахівців з кількох причин. Перш за все, тому, що дана речовина мало аналогічну ВТНП кристалічну структуру і не містило "обов'язкової" міді, як це мало місце для всіх відомих на той момент ВТНП. Порівнюючи фізичні характеристики нормального і надпровідного стану Sr2RuO4 і мідних ВТСП, вчені сподівалися прояснити саму природу високотемпературної надпровідності.

Однак далі на них чекала ще більш цікава деталь. Через рік після відкриття надпровідного стану рутената стронцію колектив теоретиків висловив гіпотезу, що надпровідність в Sr2RuO4 не є спін-синглетної. Згідно з припущенням цих вчених, в рутенате стронцію спини в куперовской парі спрямовані в одну сторону, плюс самі куперовские пари мають кутовим моментом, рівним одиниці.

Наступні експерименти свідчили на користь цього припущення. Як підсумок, такий різновид незвичайної надпровідності отримала назву спін-триплетної p-хвильової надпровідності (символ "p"Говорить про те, що орбітальний момент куперовской пари дорівнює одиниці). В даний час немає даних про те, що будь-якої ще з великої кількості надпровідників володіє аналогічним типом надпровідності. Власне, через цю унікальність рутенат стронцію бурхливо досліджується і понині.

Тут не були згадані відкриті в 2008 році ВТНП на основі заліза, тому у читача може виникнути резонне питання: як класифікувати ці нові "залізні" надпровідники? Результати останніх експериментів вказують на те, що обидва сорти куперовских пар можна розглядати як окремо взяті спін-синглетні надпровідники без обертання куперовских пар. Здавалося б, все тривіально, двозонні надпровідники – це просто "суміш" добре відомих спін-синглетних s-хвильової надпровідників. Насправді ж, структура куперовских пар в "залізних" надпровідниках виявилася більш хитрою.Згідно з експериментальними даними, фази хвильових функцій (комплексних величин) в "залізних" надпровідниках зрушені на π. Через це фазового зсуву хвильові функції кожного сорту мають протилежні знаки. З цієї причини такі надпровідники отримали назву s ±-хвильової.

Ще однією цікавою особливістю Sr2RuO4 як надпровідника є його двозонний, про що свідчать результати останніх експериментів. Природно, після отримання таких даних у вчених з'явилися всі підстави припустити, що рутенат стронцію є потенційним кандидатом на звання надпровідника 1,5-го роду, в якому можливе існування різного роду неоднорідностей вихровий решітки.

Перші докладні дослідження розподілу вихорів в даному сверхпроводнике були проведені в 2005 році (V. O. Dolocan et al., 2005. Observation of Vortex Coalescence in the Anisotropic Spin-Triplet Superconductor Sr2RuO4). Тоді експериментатори встановили факт так званої коалесценции вихровий решітки. Іншими словами, вихори не формували трикутну решітку в надпровідний зразку, відштовхуючись один від одного, як це відбувається в надпровіднику 2-го роду. Замість цього вони починали зливатися у великі домени, причому розміри цих доменів росли з посиленням магнітного поля (рис. 3).

Мал. 3. Вихрова решітка в монокристалі рутената стронцію, отримана в зовнішньому магнітному полі 0,0002 Тл (а), 0,0006 Тл (b) І 0,0007 Тл (з). світлі ділянки відповідають вихровим утворенням (областям, куди проникло магнітне поле). Зображення зі статті V. O. Dolocan et al. Observation of Vortex Coalescence in the Anisotropic Spin-Triplet Superconductor Sr2RuO4 (2005)

Результати експериментів означали, що в надпровідному рутенате стронцію існує якесь притягання між вихорами. Звідки береться це тяжіння і чому воно має місце в Sr2RuO4, Для експериментаторів залишалося загадкою.

Група теоретиків під керівництвом Єгора Бабаєва, автори обговорюваної тут статті, стверджують, що спостережувана коалесценція вихорів легко може бути пояснена, якщо спробувати описати надпровідні властивості рутената стронцію в рамках спеціальної теоретичної моделі, розробленої виключно для цього надпровідника, в якій враховується його двозонний. Варто відзначити, що з деякими модифікаціями ця теорія була використана для передбачення і обгрунтування надпровідності 1,5-го роду.

Отже, грунтуючись на цій теоретичної моделі для Sr2RuO4, Колектив вчених провів чисельне моделювання виникнення вихровий решітки з параметрами, відповідними характеристиками надпровідного стану рутената стронцію.Виявилося, що при заданих параметрах теорія видає на якісному рівні таку ж поведінку вихорів, яке було отримано в проведених раніше експериментах (рис. 4).

Мал. 4. Розподіл концентрації (у відносних одиницях) кожного "сорти" (зліва – першого, справа – другого) куперовских пар в двозонного сверхпроводящем рутенате стронцію. червоні ділянки відповідають найбільшому числу пар електронів, темно-сині – області, де їх кількість наближається до нуля. Дані графіки показують еволюцію вихровий решітки: від початку формування вихрового кластера (a і b) З 7 вихорів до його безпосереднього появи (c і d). Зображення з обговорюваної статті в Physical Review B

Картинки на малюнку 4 ясно і чітко вказують на притягання між вихорами і, як наслідок, на їх коалесценції. У свою чергу, можливість формування таких вихрових кластерів можна інтерпретувати як факт наявності надпровідності 1,5-го роду в цьому з'єднанні. Саме цей висновок і є основним результатом даної статті.

Зрозуміло, отриманий результат не претендує на остаточність, про що пишуть і самі автори, припускаючи подальші експериментальні дослідження в цьому напрямку.Однак не можна заперечувати, що дані експерименту добре описуються теорією, яка, нехай і з деякими спрощеннями, вже передбачила раніше можливість існування надпровідності 1,5-го роду.

джерело: Julien Garaud, Daniel F. Agterberg, Egor Babaev. Vortex coalescence and type-1.5 superconductivity in Sr2RuO4 // Phys. Rev. B 86, 060 513 (R) (2012).

Юрій Ерін


Like this post? Please share to your friends:
Залишити відповідь

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: