Критична температура надпровідника може бути збільшена магнітним полем

Навчання 02 серпня 2022 Перегляди: 71

Ріс. 1. Посилення надпровідності паралельним магнітним полем в ультратонкою аморфній плівці свинцю. Абсолютне (шкала зліва) і відносне (шкала справа) збільшення критичної температури T_c по відношенню до T_c0 = 3,814 K для плівки за відсутності магнітного поля. Товщина плівки 21,1. По осі абсцис відкладена індукція магнітного поля в теслах. Малюнок з обговорюваної статті в Nature Physics

Надпровідність — це квантовий стан речовини, яка, крім зовнішніх ознак — відсутності опору і абсолютної несприйнятливості до магнітного поля, — характеризується формуванням синхронізованих між собою пар з електронів провідності. В силу особливостей будови і характеристик електронних пар магнітне поле з індукцією вище певного рівня зменшує критичну температуру надпровідника, тобто температуру, нижче якої в ньому реалізується явище надпровідності. Колектив американських вчених, провівши експерименти з ультратонкими (близько 10^-9 м) аморфними плівками свинцю, виявив, що сильне магнітне поле, навпаки, підвищує їх критичну температуру. Отриманий результат суперечить загальноприйнятій теорії надпровідності.

Причиною виникнення надпровідності, тобто появи у речовини нескінченно великої провідності та ідеального діамагнетизму (виштовхування зовнішнього магнітного поля), є формування в ньому пар з електронів провідності, що ведуть себе потім синхронізованим чином. Така єдність дозволяє електронам без тертя протікати через кристалічну решітку матеріалу і злагоджено «відбивати атаки» силових ліній магнітного поля.

Згідно загальноприйнятої мікроскопічної теорії надпровідності (відомої ще як теорія Бардіна — Купера — Шріффера або, скорочено, БКШ), формування електронних пар відбувається, коли температура речовини стає менше певної величини, індивідуальної для даного матеріалу, — критичної температури Tc. При температурі нижче Tc електрони, за допомогою обміну фононами, притягуються один до одного і утворюють пару, часто звану куперівською на прізвище американського фізика-теоретика Леона Купера, який передбачив це явище. Зараз таке тяжіння відоме як електрон-фононна взаємодія; при температурі нижче критичної воно стає сильнішим, ніж кулонівське відштовхування цих однойменно заряджених частинок.

Тут важливо зазначити, що в теорії БКШ освіта куперівських пар можлива лише з електронів з протилежно спрямованими імпульсами і спинами. Навпаки, у так званих «незвичайних» надпровідниках, надпровідні властивості яких не пояснюються теорією БКШ, напрями спинів електронів у куперівських парах можуть збігатися.

Визначення надпровідності дозволяє зрозуміти, як її можна зруйнувати. Перший спосіб — нагріти надпровідник до температури вище критичної. Другий — посилювати магнітне поле настільки, щоб надпровідний матеріал вже не міг відштовхувати силові лінії цього поля. На мікроскопічному рівні руйнування куперівських пар теплом пояснюється зниженням енергії зв’язку електронів у куперівській парі. У разі посилення магнітного поля руйнування пар електронів пояснюється двома ефектами — парамагнітним і орбітальним. Парамагнітний ефект полягає в прагненні магнітного поля вибудувати спини електронів у напрямку своїх силових ліній. Оскільки спини в куперівській парі, як вже було сказано, мають антипаральний напрямок, то коли сильне магнітне поле випрямляє «неправильну» орієнтацію одного з електронів пари, їй вже з точки зору енергії невигідно продовжувати своє існування (діє принцип Паулі). Орбітальний ефект полягає в тому, що, оскільки імпульси електронів в парі спрямовані протилежно, на кожен електрон буде діяти різноспрямована сила Лоренца, яка буде розтягувати частинки в куперівській парі подібно нитці, кінці якої тягнуть в різні боки.

З усього сказаного можна зробити наступний висновок: в теорії БКШ немає механізму, який робив би куперівські пари міцнішими в магнітному полі, підвищуючи тим самим критичну температуру надпровідника. Справедливості заради, правда, варто зауважити, що існують сполуки на основі урану, які в сильних магнітних полях відновлюють надпровідність, втрачену раніше в більш слабкому полі (див. Відкрита екзотична надпровідність в сильному магнітному полі, «Елементи», 30.08.2005). Однак ці надпровідники належать до вже згаданої категорії «незвичайних», для яких теорія БКШ є непримінною. Яким чином магнітне поле стимулює в цих речовинах відродження надпровідності, для вчених поки неясно.

У зв’язку з цим опубліковані в журналі Nature Physics результати експериментів групи американських вчених здаються дивовижними і вельми несподіваними. Автори цієї роботи повідомляють про зростання критичної температури ультратонких (товщина близько 10 ^, 1 ^ = 10^-10 м) плівок свинцю зі збільшенням індукції магнітного поля, силові лінії якого орієнтовані паралельно поверхні досліджуваних зразків. Неординарність отриманих результатів насамперед тут полягає в тому, що свинець відноситься до числа «звичайних» надпровідників, для яких чудово працює теорія БКШ. А тому при збільшенні індукції магнітного поля критична температура повинна за квадратичним законом зменшуватися.

Для початку кілька слів про методику експерименту. По-перше, вивчення даного явища проходило в діапазоні індукцій магнітного поля від 0 до 8 Тесла (Тл). По-друге, зміна орієнтації магнітного поля з паралельною плівкам на перпендикулярну призводила до того, що критична температура зразків очікувано зменшувалася. По-третє, свинцеві плівки були аморфними. Іншими словами, в матеріалі була відсутня кристалічна решітка, і розташування атомів носило неупорядкований характер. Попутно також варто відзначити, що в таких практично почесних (або, як кажуть, квазідвумерних) конфігураціях свинцю його критична температура істотно залежить від товщини і може бути в кілька разів менше критичної температури для масивних зразків даної речовини, яка становить близько 7,2 К.

На рис. 1 представлений, мабуть, основний результат експериментальних досліджень авторів статті. На ньому наведені дані по приросту ДТ_с критичної температури аморфної свинцевої плівки товщиною 21,1. Залежно від прикладається до неї паралельного магнітного поля.

Цікаво, що дана залежність носить явно немонотонний характер. Максимальне збільшення T_c спостерігається, коли індукція магнітного поля становить приблизно 5 Тл. Щоб зрозуміти, наскільки велике для надпровідного свинцю це значення, скажімо, що в масивних зразках, температура яких близька до абсолютного нуля, надпровідність зникає в полях з індукцією вище всього 0,08 Тл.

На перший погляд може здатися, що збільшення не таке вже значне, всього лише на 8%, або на 302 мілікельвіна в абсолютних одиницях (див. рис. 1), проте тут важливий сам факт присутності цього зростання і те, при яких величезних значеннях магнітного поля спостережуваний ефект реалізується в надпровіднику, для якого магнітне поле, як відомо, є «ворогом».

Далі у своїх вишукуваннях автори зацікавилися питанням, як еволюціонує критична температура квазідвумерних зразків, якщо змінювати їх товщину. Відповідь наведена на рис. 2, де візуалізовані експериментальні дані, що показують збільшення T_c для набору з восьми плівок різної товщини.

Ріс. 2. Залежність зростання   Tc критичної температури квазідвумерних аморфних плівок свинцю від їх товщини (наведена на графіку) в паралельному магнітному полі. Для найтоншої плівки (червоні квадрати) критична температура у відсутності магнітного поля становить T_c0 = 0,486 К, для найтовстішої (фіолетові трикутники), яку можна вже інтерпретувати як масивний тривимірний зразок, T_c0 = 6,44 К. Малюнок з обговорюваної статті в Nature Physics

Як і на графіку малюнка 1, ця залежність також має свої особливості. Виявляється, максимальне прирощення критичної температури реалізується не для самої тонкої плівки, як начебто повинно було бути, а для зразка з проміжною товщиною 21,1. (Дані по цій плівці були приведені на рис. 1). В цілому ж, практично всі залежності на якісному рівні збігаються: до певного значення магнітного поля критична температура зростає, потім слідує максимум, потім монотонне вбивання.

Які можуть бути причини виявленого явища, для авторів публікації поки залишається загадкою. Вчені у своїй статті висунули кілька гіпотез, проте аргументи носять евристичний характер і претендувати на остаточне пояснення не можуть. До того ж, як зауважують дослідники, необхідно більш ретельно проміряти величину ефекту залежно від товщини зразків, наявності в них магнітних домішок та інших характеристик речовини, які можуть вплинути на приріст критичної температури.

Джерело: H. Jeffrey Gardner, Ashwani Kumar, Liuqi Yu, Peng Xiong, Maitri P. Warusawithana, LuyangWang, Oskar Vafek, Darrell G. Schlom. Enhancement of superconductivity by a parallel magnetic field in two-dimensional superconductors // Nature Physics. 2011. V. 7. P. 895–900.

Юрій Єрін