Высокотемпературная сверхпроводимость: все выше, и выше, и выше... - 1 Апреля 2011

Großansicht des Bildes mit der Bildunterschrift: Рентгеновский лазер на свободных электронах

Если теория низкотемпературной сверхпроводимости разработана неплохо, то с высокотемпературной сверхпроводимостью еще далеко не все ясно. Новые сведения об этом явлении получены теперь в Гамбурге.

Хотя явление сверхпроводимости было открыто 100 лет назад, по-настоящему широкого применения оно пока не нашло. Напомню, что сверхпроводимостью называют способность некоторых веществ при охлаждении ниже определенной температуры, именуемой критической температурой перехода, вдруг полностью утрачивать электрическое сопротивление и проводить электрический ток без каких-либо потерь. В течение ряда десятилетий науке были известны только сверхпроводники с крайне низкими критическими температурами перехода, лишь незначительно превышающими абсолютный нуль. Даже у технеция, имеющего самую высокую среди чистых металлов критическую температуру перехода, она составляет лишь 11,2 градуса Кельвина.

Получение и поддержание столь низких температур возможно лишь с использованием очень капризного в эксплуатации жидкого гелия, то есть дело это не только сложное, но и крайне дорогостоящее, поэтому о практическом применении сверхпроводников в технических устройствах долгое время не могло быть и речи.

Но в 1986 году был открыт новый класс соединений, способных переходить в сверхпроводящее состояние при значительно более высоких температурах. Синтезированная исследователями керамика из атомов кислорода, меди, бария и лантана, в обычных условиях вообще не проводящая электрический ток, обретала сверхпроводимость при температуре 58 градусов Кельвина. Годом позже, заменив в составе этой же керамики лантан на иттрий, ученые получили и вовсе сногсшибательный результат - 92 градуса Кельвина.

"Это вызвало своего рода соревнование среди ученых: кто спечет керамику с самой высокой критической температурой перехода, - говорит итальянский физик, профессор Гамбургского университета Андреа Каваллери (Andrea Cavalleri). - На сегодняшний день уже получены сверхпроводники с критическими температурами перехода, намного превышающими температуру кипения жидкого азота. Это делает их гораздо более перспективными в плане практического применения, поскольку жидкий азот довольно прост в обращении и несравненно дешевле, чем жидкий гелий. Но главная цель, конечно, - материал, который обладал бы сверхпроводимостью при комнатных температурах, то есть вообще не нуждался бы в охлаждении".

Беда лишь в том, что поиск таких материалов до сих пор ведется если и не совсем на ощупь, то в значительной мере эмпирически, методом проб и ошибок, поскольку сам по себе механизм высокотемпературной сверхпроводимости еще не вполне понятен. Ученые знают лишь, что для перехода материала в сверхпроводящее состояние электроны проводимости в решетке должны, во-первых, объединиться попарно, а во-вторых, эти так называемые куперовские пары должны между собой синхронизироваться таким образом, чтобы вся электронная система сверхпроводника начала действовать согласованно, причем на огромных - по атомным меркам - расстояниях. Однако детали всех этих квантово-механических процессов были неизвестны.

"Некоторые специалисты предполагают, что электроны вообще-то охотно синхронизировались бы сами по себе, но что-то в материала им мешает, - говорит профессор Каваллери. - Мы провели целый ряд экспериментов, чтобы выяснить, нельзя ли лучами лазера это препятствие убрать".

Лазер разглаживает кристаллическую решетку

Для этого ученый использовал специальный рентгеновский лазер на свободных электронах. "У нас в лаборатории имеется несколько мощных лазеров, испускающих чрезвычайно короткие импульсы, - поясняет профессор Каваллери. - Я имею в виду импульсы, длящиеся менее одной пикосекунды, то есть менее одной триллионной доли секунды. Такие лазеры принято называть фемтосекундными".

Исследование показало, что тем препятствием, которое мешает синхронизации куперовских пар, судя по всему, являются вполне определенные слои атомов в кристаллической решетке керамик. Эти слои (конечно, при соответствующем увеличении) выглядят не ровной плоскостью, а чем-то вроде волнистого листа шифера, и препятствуют синхронизации куперовских пар электронов, а значит, и переходу материала в сверхпроводящее состояние. Профессор Каваллери и его коллеги подвергли керамический образец сверхкороткому лазерному импульсу со строго рассчитанными параметрами. "При этом произошло следующее: наш импульс буквально разгладил атомный слой, выглядевший, как гофрированный картон, - говорит ученый. - Материал перешел в сверхпроводящее состояние, причем мгновенно. И оставался в этом состоянии довольно долго - примерно одну миллионную долю секунды".

По мнению профессора Каваллери, это свидетельствует о том, что электроны в керамическом проводнике заранее образуют куперовские пары и как бы ждут первой же благоприятной возможности для синхронизации. "О практическом применении в технике можно пока только гадать, - говорит ученый. - Например, использование таких высокотемпературных сверхпроводников в мощных электромагнитах позволило бы мгновенно включать и выключать магнитное поле с помощью светового импульса".

Но главное, итальянский физик надеется, что его исследования помогут лучше понять физическую сущность этого загадочного явления, а значит, откроют путь к созданию нового поколения еще более высокотемпературных керамических сверхпроводников.

Автор: Владимир Фрадкин
Редактор: Ефим Шуман