відкрито два року назад залізовмісні надпровідники відродили інтерес до однієї з найбільш інтригуючих фізичних проблем сучасності - побудови теорії високотемпературної надпровідності. Головною загадкою на шляху вирішення цієї завдання залишаються невідомі і не поняті досі процеси всередині речовини, які відповідальні за його надпровідний стан і які дозволяють йому мати високу критичну температуру (температуру переходу з нормального стану в надпровідний). Японські вчені в журналі Physical Review Letters опублікували експериментальну роботу, результати якої можуть внести деяку визначеність у розуміння цих внутрішніх механізмів надпровідності з високою критичною температурою.
Кристалічна грати BaFe2As2. Зображення з сайту www.natureasia.com
Надпровідність характеризується відсутністю електричного опору і ідеальним діамагнетизмом (абсолютним непроникнення магнітного поля всередину матеріалу). Вона виникає у речовин, які мають температуру нижче певного, характерного тільки для них значення. Така температура називається критичною (Tc).
Хоча надпровідність була відкрита голландським ученим Хейкі Камерлінг-Оннес вдобавок на початку минулого століття (в 1911 році), пояснено це явище було лише через приблизно 50 років (у 1957 році). Творцями теорії надпровідності прийнято вважати Джона Бардіна, Леона Купера і Джона Шріффером. Вони встановили, що речовина стає надпровідним завдяки об'єднанню електронів провідності в пари (іменовані куперовской) і їх подальшої синхронізації. Іншими словами, всі електрони поводяться як єдине неподільне (жоден з електронів не прагне в цьому стані показати свою В«індивідуальністьВ») і завдяки цього обтікають без будь-якого опору кристалічну решітку речовини.
Поява куперовських пар зумовлене складною взаємодією іонів кристалічної решітки та електронів. Електрони обмінюються безмасовими В«майжеВ» частинками (Квазічастинками) фононами - квантами коливального руху іоні
в. В«МайжеВ» - тому що фонони не можуть існувати у вільному стані, їх життя обмежена кристалічною решіткою. В результаті обміну квазічастинками переможе електронами з'являється тяжіння, що в свою чергу призводить до утворення куперовських пар. Описаний процес формування куперовських пар отримав найменування електрон-фононної взаємодії (механізму). Саме цей механізм і складає основу теорії надпровідності, або теорії БКШ, названої так за першими літерами прізвищ її авторів.
Треба сказати, що теорія БКШ, як і будь-яка інша фізична теорія, не виникла спонтанним чином. Вона стала підсумком послідовних експериментальних і теоретичних досліджень різних вчених. Серед цього різноманіття особливо варто виділити публікації англійського фізика Герберта Фреліха, який в 1950 році першим вказав на суттєву роль впливу іонів на електрони у виникненні надпровідності. Зі своєї ідеї професор зміг вивести висновок про те, що критична температура в сімействі ізотопів даного надпровідника повинна бути назад пропорційна квадратному кореню маси іона М (молекулярної маси), тобто Tc ~ M-О± (значок В«~В» позначає пропорційність), де О± = 0,5. Простіше кажучи, чим більше молекулярна маса надпровідного речовини, тим менше його критична температура. Така залежність одержала найменування В«Ізотопічний ефектВ», або В«ізотоп-ефектВ». У тому ж році Еммануель Максвелл виявив ізотопічний ефект в изотопах ртуті, що стало вагомим доказом правильності гіпотези Фреліха. Пізніше ізотоп-ефект був відкритий і у інших надпровідників (див. таблицю 1).
Таблиця 1. Ізотопічний ефект в різних надпровідниках
СверхпроводнікО±Механізм сверхпроводімостіHg (ртуть) 0,5 В± 0,03 фононнийTl (талій) 0,5 В± 0,1 фононнийCd (Кадмій) 0,5 В± 0,1 фононнийMo (молібден) 0,33 В± 0,05 Фононний
La0, 89Sr0, 11CuO4
(заміна 16о на 18О)
≈ 0,07?
YBa2Cu3O7
(заміна 16о на 18О)
≈ 0,02?
* Знак питання означає, що вчені не знають справжньої причини формування куперовських пар і, згідно, виникнення надпровідності.
Відзначимо, що в міркуваннях Фреліха йшлося про моноатомний надпровідниках, тобто матеріалах, утворених з одного хімічного елемента.
Коли в 1986-87 роках була виявлена ​​високотемпературна надпровідність в купратних (Медьсодержащих) з'єднаннях La0, 89Sr0, 11CuO4 (Tc = 40 К) і YBa2Cu3O7 (Tc = 92 К) та ін, ученим стало ясно, що стала вже класичної теорія БКШ не в стані її пояснити. БКШ-теорія не допускає існування такої високої критичної температури в речовинах з такою силою електрон-фононного взаємодії. На те, що не фонони змушують об'єднуватися електрони в високотемпературних надпровідниках (ВТНП), вказувало і відсутність у цих ВТНП ізотоп-ефекту по кисню - елемента, який поряд з міддю присутня у всіх відкритих згодом надпровідниках з високою Tc. Заміщення традиційного кисню 16О іншими його ізотопами надзвичайно слабо змінювало критичну температуру (див. таблицю 1).
З тих пір ізотоп-ефект став розглядатися як незвичайний тест на причетність фононів до появі надпровідності. Якщо О± одно або поблизу до 0,5, то в даному матеріалі куперовской пари (надпровідність) виникають за рахунок електрон-фононної тяжіння. В іншому випадку надпровідність викликана іншим механізмом.
Щоб виявити наявність або відсутність ізотоп-ефекту в надпровіднику, треба визначити показник ступеня О± в залежності Tc ~ M-О±. Розрахувати О± з експериментальних даних не складно. Так як Tc ~ M-О±, то герб рівності переможе критичною температурою і масою іона виникне, якщо переписати цю залежність у такому вигляді: Tc = const В· M-О± (const - це постійна величина, константа, яка від Tc і M не залежить). Продиференціювавши Tc по M і згадавши визначення похідної функції, отримаємо формулу:
,
де О”M і О”T відповідають різниці мас іонів і різниці критичних температур, виникає при заміщенні іона його ізотопом. З цієї формули, спираючись на експериментальні дані, вчені і визначають О±, тобто наявність або відсутність ізотопічного ефекту.
Звичайно, ізотоп-ефект не дає прямої відповіді на найважливіше питання високотемпературної надпровідності: що змушує електрони в ВТНП об'єднуватися в пари? Однак він відіграє важливу роль у розплутуванні цієї загадки, зокрема дозволяє визначити ступінь причетності фононів до виникнення куперовських пар.
З відкриттям в 2008 залізовмісних ВТНП пошуки причин виникнення високотемпературної надпровідності відновилися з новою силою. І, звичайно, в першу чергу вчених зацікавила величина внеску електрон-фононної взаємодії в надпровідність В«залізнихВ» надпровідників. Чи буде цей внесок відмінний від нуля або він так само зневажливо малий, як і в купратних ВТНП? Один з можливих способів вирішення даної проблеми пов'язаний з виявленням (або незнаходженням) ізотопічного ефекту по залізу - речовині, що об'єднують В«ЗалізніВ» надпровідники в один клас.
Вперше ізотоп-ефект у залізовмісних ВТНП, а точніше, в полікристалічних з'єднаннях SmFeAsO1-xFx (х = 0,15) з Tc = 40 К і Ba1-xKxFe2As2 (х = 0,4) з Tc = 37 До був відкритий групою китайських учених в 2009 році. Замінюючи атоми природного (Найбільш поширеного) заліза 56Fe ізотопом 54Fe, дослідники з'ясували, що показник ступеня О± знаходиться поблизу від 0,5 і імовірно дорівнює 0,35. З результатів експерименту вчені зробили висновок, що частково (частково - тому що О± одно не 0,5, а трохи менше - 0,35) куперовской пари формуються під дією електрон-фононної взаємодії, але безперечно, що кількісно цей процес класичною теорією БКШ не описати.
Історія з ізотопічним ефектом в залізовмісних надпровідниках отримала своє продовження в нещодавно опублікованій в журналі Physical Review Letters статті японських вчених Inverse Iron Isotope Effect on the Transition Temperature of the (Ba, K) Fe2As2 Superconductor (доступною також тут). Вони зосередили свою увагу на ізотоп-ефект по залізу в полікристалах Ba1-xKxFe2A...
