Российские ученые оптимистически смотрят на возможность достичь комнатной сверхпроводимости
Учеными из Физического института имени П. Н. Лебедева РАН (ФИАН), хим. факультета МГУ и Института физики высоких давлений РАН впервые в России синтезирован однофазный высокотемпературный сверхпроводник на основе арсенида железа, обладающий чрезвычайно высоким значением критического магнитного поля (оценивается в 130 Тл).
Начало истории высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) было положено в 1986 году, когда в соединениях на основе оксида меди были обнаружены сверхпроводящие свойства. На сегодняшний день ленточные сверхпроводники на основе оксида меди YBaCuO, пригодные для практических применений при температуре жидкого азота (77К), производятся промышленностью в нескольких странах для конкретных энергетических и электротехнических проектов или в режиме опытного производства.
В начале 2008 года физики синтезировали новый класс сверхпроводников с общей химической формулой ReFeAsO1. Можно сказать, что монополия оксидов меди была нарушена. Само по себе явление сверхпроводимости в соединении на основе железа уже антагонизм. Железо, как известно, обладая свойством спонтанной намагниченности атомов, концентрирует в материале магнитное поле, в то время как одно из определяющих свойств сверхпроводимости - это выталкивание магнитного поля из объема материала2.
На базе отдела «Высокотемпературная сверхпроводимость и сверхпроводниковые наноструктуры» ФИАНа, которым заведует доктор физикоматематических наук Владимир Пудалов, также проводятся синтез и исследования новых «железных» сверхпроводников. Группа физиков ФИАНа в кооперации с химиками из МГУ и физиками из Института физики высоких давлений разработала метод синтеза и успешно синтезировала соединения этого же класса с магнитными ионами Gd с различным содержанием кислорода и фтора. Было обнаружено, что наиболее высокой критической температурой (53 К) обладает состав GdFeAsO0,88F0,12 с замененной (допированной) частью атомов кислорода атомами фтора.
- Наиболее трудным делом было получить материал в чистом виде - так называемый однофазный, с практически 100%-ным содержанием желаемой сверхпроводящей фазы, - рассказывает Владимир Пудалов.
Такой материал российским ученым удалось получить впервые в мире, до этого экспериментаторы довольствовались в лучшем случае 10%ным содержанием сверхпроводящей фазы. В результате этого достижения высококачественные образцы новых перспективных материалов станут доступными для физиков не только ФИАНа, но и других научных институтов России.
Тем временем «железные» сверхпроводники обладают удивительной особенностью - не так давно в области сверхпроводимости был обнаружен еще один фазовый переход - антиферромагнитный. Антиферромагнетизм - одно из магнитных состояний вещества, при котором элементарные магнитики (в данном случае - соседних атомов Gd) направлены антипараллельно, сводя общую намагниченность материала к нулю. Стоит отметить, что антиферромагнетизм возникает в этих, а также во многих других соединениях при высоких температурах как фаза, предшествующая сверхпроводимости при более высокой температуре, или в «прародительских недопированных соединениях». Как считают ряд теоретиков, это означает, что «клеем», соединяющим электроны в сверхпроводящие пары, является их взаимодействие с помощью магнитных флуктуаций.
Оценивая из полученных результатов критическое магнитное поле, которое способно выдержать соединение, оставаясь сверхпроводником, ученые ФИАНа получили огромную величину порядка 130 Тл. Это почти такая же величина, как и у наиболее изученного купратного сверхпроводника YBaCuO c почти вдвое большей критической температурой - 92 К. Для сравнения: максимальное магнитное поле, получаемое в лабораторных условиях с помощью «традиционных» промышленно выпускаемых сверхпроводников (Nb3Sn, NbTi), на сегодня едва достигает 21 Тл. Этот предел связан с тем, что критическое магнитное поле для лучшего из традиционных сверхпроводников - Nb3Sn - составляет 28 Тл, т. е. в 5 раз меньше, чем у синтезированного в ФИАНе «железного» сверхпроводника. Нужно провести еще множество измерений, расчетов и аналитических умозаключений, однако уже сейчас понятно, что обнаруженные полифункциональные свойства новых «железных» сверхпроводниковмагнетиков и их высокие критические поля найдут свое применение в технике.
«Это подобно ситуации, когда ребенку дают красочную коробку с новой игрушкой, он еще не знает, как ей пользоваться, но уже находится в радостном предвкушении предстоящей игры с ней»,- делится эмоциями В. Пудалов.
Открытие нового класса сверхпроводников, несомненно, даст новую подсказку теории, более двадцати лет ищущей ответ на вопрос о механизме высокотемпературной сверхпроводимости. Возможно также, что эти исследования подскажут путь к повышению температуры сверхпроводящего перехода до комнатной.
1 Re - редкоземельный металл.
2 Выталкивание магнитного поля из толщи сверхпроводника носит название эффекта Мейснера.