О природе высокотемпературной сверхпроводимости

О природе высокотемпературной сверхпроводимости

Бобков Александр Михайлович

Даже те, кто далеки от науки, слышали о сверхпроводимости. Суть этого явления, которое было открыто около ста лет назад, заключается в том, что у некоторых материалов при достаточно низких температурах отсутствует электрическое сопротивление. Такие сверхпроводники отталкивают от себя магнитное поле. Именно на этом основан эффектный демонстрационный опыт, когда маленький магнит левитирует, то есть парит, над сверхпроводником без всякой поддержки.

Долгое время физики не могли объяснить это явление, да и практического применения ему не находилось. Но к середине прошлого века ученые наконец-то смогли понять природу сверхпроводимости. Стало ясно, что и промышленности очень нужны такие материалы. Однако использовать сверхпроводимость не удавалось по техническим и экономическим причинам, поскольку вещества надо было охлаждать до очень низких температур.

Ситуация изменилась ближе к концу прошлого века, когда было открыто множество новых, необычных сверхпроводящих соединений, обладающих подчас удивительными свойствами. В некоторых из них, так называемых высокотемпературных сверхпроводниках, явление возникало при гораздо более высоких температурах, хотя все еще намного ниже нуля по Цельсию. И, тем не менее, высокотемпературные сверхпроводники, с которыми было проще и дешевле работать, стали активно входить в нашу жизнь.

Сегодня сверхпроводимость используют и в транспорте (монорельсы), и в медицине (различные датчики, снимающие магнитокардиограммы и магнитоэнцефалограммы), и при производстве гигантских ускорителей, и при постройке экспериментальных термоядерных реакторов. Несомненно, что использование сверхпроводимости будет в ближайшие годы расширяться - взять хотя бы квантовые компьютеры, в которых без сверхпроводимости не обойтись.

Однако до сих пор природа необычной высокотемпературной сверхпроводимости остается для ученых загадкой. В обычных сверхпроводниках сверхпроводимость характеризуется параметром порядка, который может зависеть только от координат. Само же явление сверхпроводимости появляется в результате притяжения электронов вблизи поверхности Ферми из-за обмена фононами. Что же касается необычных (анизотропных) сверхпроводников, то в них параметр порядка может зависеть от направления импульса, однако механизм образования сверхпроводимости в них до сих пор не понят. И хотя в изучении необычной сверхпроводимости уже достигнут существенный прогресс - например, полностью идентифицирован тип симметрии параметра порядка в высокотемпературных сверхпроводниках, - непонятого и неисследованного в этой области еще очень много. Мои научные интересы связаны с изучением этого круга проблем.

Я занимаюсь теоретическим изучением высокотемпературных сверхпроводников (высокотемпературные купраты) и киральных сверхпроводников (рутенат, сверхпроводящее соединение с тяжелыми фермионами ). Все эти сверхпроводники сильно анизотропны. Как правило, я рассматриваю неоднородные системы, состоящие из анизотропных и обычных сверхпроводников, нормальных металлов, диэлектриков и ферромагнетиков. Это могут быть образцы очень маленьких размеров, в которых важна дискретная структура сверхпроводника, или контакты со слабой связью между различными подсистемами, или образцы сложной геометрической формы из анизотропных сверхпроводников. При изучении таких систем обычно используют метод квазиклассических гриновских функций или решеточные модели сверхпроводимости с сильной связью.

В большинстве таких систем важную роль играют андреевские связанные состояния, которые во многом определяют транспортные свойства контактов: джозефсоновский ток и низкоэнергетическую часть кондактанса. (Замечу, что рассматриваемые мною системы - это либо контакты сами по себе, либо их потенциальная составная часть.) Поэтому крайне интересно рассмотреть свойства спектров квазичастичных возбуждений в таких системах, особенно наличие и вид андреевских связанных состояний на границах разделов в сверхпроводниках, зависимость их спектров от направления импульса на поверхности Ферми, последствия интерференции от различных связанных состояний в образцах сложной формы. Асимметрия спектров андреевских связанных состояний часто связана с появлением спонтанных токов, которые возникают на поверхностях раздела в системах с анизотропными сверхпроводниками. Если геометрическая форма системы достаточно сложна, то из-за спонтанных токов возможно появление вихревых магнитных структур в областях изгиба границ раздела.

Безусловно, интересно теоретически изучать те параметры, которые могут быть экспериментально измерены. Для рассматриваемых систем это равновесные и неравновесные транспортные характеристики, а также плотность состояний в образце. Среди транспортных характеристик надо выделить джозефсоновский ток, для которого обычно рассчитывают зависимости критического тока от температуры и/или магнитного поля, приложенного к системе. Пример неравновесной транспортной характеристики различных контактов с анизотропными сверхпроводниками - кондактанс. Форма кондактанса и различные особенности на его низкоэнергетической части также связаны с параметрами спектров связанных состояний, которые, в свою очередь, различны для различных типов спаривания. Большое влияние на проводимость контактов оказывает зависимость прозрачности барьера от направления импульса, скоррелированная с зависимостью от направления импульса спектров связанных состояний. Интересно посмотреть, как влияет внешнее магнитное поле на все изучаемые характеристики, тем более что внешнее магнитное поле - один из самых удобных "инструментов" для воздействия на систему. Все это и стало предметом моих научных исследований.

За последние три года мне удалось изучить критический джозефсоновский ток в уголковых SND (обычный сверхпроводник-нормальный металл-высокотемпературный сверхпроводник) контактах в магнитном поле, а также спектры андреевских связанных состояний и джозефсоновских токов в симметричных туннельных контактах с киральными сверхпроводниками. В результате удалось предсказать появление логарифмической аномалии в низкотемпературной части зависимости критического джозефсоновского тока от температуры. Удалось также выяснить, что положение пиков в кондактансе туннельных SIN (сверхпроводник-туннельный барьер-нормальный металл) и SIS (сверхпроводник-туннельный барьер-сверхпроводник) контактов связано с особенностями спектров связанных состояний, и предсказать, что на эту связь сильно влияет форма зависимости прозрачности туннельного барьера от направления импульса падающих квазичастиц. Еще один важный результат - обнаружение нетривиальности идентификации андреевских связанных состояний в узких проволочках сверхпроводников и сильного эффекта четности в зависимости от поперечной ширины проволочки.