Новая теория российских ученых объяснила появление «псевдощелевой фазы», которая является одним из самых загадочных явлений в высокотемпературных сверхпроводниках. Исследование опубликовано в журнале Materials.
Сверхпроводимость открыли в 1911 году. Только в 1957 году, спустя практически 40 лет, появилась микроскопическая теория сверхпроводимости БКШ, названная в честь Бардина, Купера и Шриффера. Суть теории заключается в том, что состояние или фаза сверхпроводимости может существовать только при Тс – критической температуре около абсолютного нуля ( –273 °C). В 1986 году была обнаружена высокотемпературная сверхпроводимость. В 2020 году были найдены соединения, критическая температура которых составляет 288 К (более 15 °С).
Высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП) отличаются своей сложнейшей электронной структурой и интересной особенностью — состоянию сверхпроводимости у них предшествует состояние, называемое «псевдощелевой фазой». При возникновении сверхпроводимости электроны образуют пары. Они собираются вблизи определенного уровня — уровня Ферми, который отделен специальной щелью. Щелью ученые называют энергетический интервал от уровней, заполненных одиночными электронами, лежащими под поверхностью Ферми. В обычных сверхпроводниках она образуется одновременно со сверхпроводимостью. Как оказалось, эта щель у высокотемпературных сверхпроводников образуется еще до перехода в сверхпроводящее состояние. Это явление получило название «псевдощель», и ее существование представляет собой загадочное и непонятное явление.
Российский физик Виктор Лахно из Института прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН предположил, что в основе теории «псевдощелевой фазы» лежит трансляционно-инвариантный биполяронный механизм. Удивительные особенности новых сверхпроводников ученый объясняет возникновением квазичастиц, называемых биполяронами. «Биполяроны в сверхпроводниках обладают крайне необычными свойствами, они ведут себя как волны, а не как частицы, которые можно локализовать в конкретных точках пространства. Это делокализованные квазичастицы, которые могут двигаться по всему кристаллу и сохранять стабильность даже при высоких температурах. Поэтому они называются трансляционно-инвариантными, или ТИ-биполяронами», — рассказывает Лахно.
Сверхпроводимость сопровождается различными физическими явлениями, например изотопическим эффектом. Он происходит при замене атомов на изотопы. Изотопы — это более тяжелые атомы с большим количеством нейтронов. Температура сверхпроводимости Тс является более высокой для легких атомов. Высокотемпературные же сверхпроводники показали в эксперименте крайне маленький изотопический эффект. Новая теория помогает объяснить это необычное явление. При добавлении изотопов температура образования псевдощелевой фазы Т* может как увеличиваться, так и уменьшаться, причем ее можно регулировать внешним магнитным полем. Если теория окажется верна на практике, это станет значительным аргументом в пользу ТИ-биполяронной теории сверхпроводимости.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
