Российский физик предложил объяснение «псевдощелевой фазы» у сверхпроводников

Физик Виктор Лахно из Института прикладной математики им. М. В. Келдыша РАН предложил теорию, которая объясняет одно из самых загадочных явлений в высокотемпературных сверхпроводниках — появление «псевдощелевой фазы». О работе сообщается в пресс-релизе института.

Сверхпроводимость была экспериментально открыта в 1911 году. Больше сорока лет прошло, пока в 1957 году появилась микроскопическая теория сверхпроводимости БКШ, названная в честь ее авторов — физиков Бардина, Купера и Шриффера. Согласно этой теории, состояние или фаза сверхпроводимости может существовать только при Тс — критической температуре около абсолютного нуля (–273 °C). Авторы в 1972 году получили Нобелевскую премию. А уже в 1986 году Беднорцем и Мюллером была экспериментально обнаружена высокотемпературная сверхпроводимость (Нобелевская премия 1987 года). В 2020 году были найдены соединения, критическая температура которых — 288 кельвинов (более 15 °С, правда, при давлении 267 ГПа). В рамках теории БКШ это явление объяснить невозможно. Общепринятой теории, которая объясняла бы высокотемпературную сверхпроводимость, до сих пор не создано.

Соединения, называемые высокотемпературными сверхпроводниками (ВТСП), обладают очень сложной электронной структурой. В частности, было обнаружено, что состоянию сверхпроводимости у них предшествует состояние, названное «псевдощелевой фазой». У сверхпроводников при возникновении сверхпроводимости электроны образуют куперовские пары, которые собираются вблизи уровня, называемом уровнем Ферми. Он отделен щелью — энергетическим интервалом — от уровней, заполненных одиночными электронами, лежащими под поверхностью Ферми.

В обычных сверхпроводниках щель образуется при Т = Тс, то есть одновременно с образованием сверхпроводимости. Оказалось, что у высокотемпературных сверхпроводников еще до перехода в сверхпроводящее состояние образуется щель, предшествующая фазе сверхпроводимости. Это явление происходит при более высокой температуре Т* и получило название «псевдощель». Наличие «псевдощелевой фазы» в высокотемпературных сверхпроводниках является одной из самых больших загадок. Ее существование в настоящее время представляется гораздо более непонятным явлением, чем существование самой сверхпроводящей фазы.

В недавно опубликованной работе Виктора Лахно в основу микроскопической теории «псевдощелевой фазы» положен трансляционно-инвариантный биполяронный механизм. Необычные свойства новых сверхпроводников ученый объясняет возникновением внутри сверхпроводников, при движении электронов, особых квазичастиц — биполяронов.

«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», — пояснил Лахно. 

Сверхпроводимость сопровождается множеством интересных физических явлений. В частности, изотопическим эффектом. Он появляется при замене атомов на изотопы — более тяжелые атомы с большим количеством нейтронов. Температура сверхпроводимости Тс для более легких атомов выше, чем для более тяжелых.

А высокотемпературные сверхпроводники показали в эксперименте очень маленький, практически нулевой изотопический эффект. До сих пор объяснения этому не было найдено. Теория же, предложенная Лахно, объясняет это явление и предсказывает еще более интересное. При добавлении изотопов температура образования псевдощелевой фазы Т* может как увеличиваться, так и уменьшаться, причем ее можно регулировать внешним магнитным полем. Если предсказания теории будут подтверждены экспериментально, то это станет веским аргументом в пользу ТИ-биполяронной теории сверхпроводимости.

Статья Виктора Лахно опубликована в журнале Materials.