|
В
железосодержащих сверхпроводниках обнаружен изотопический эффект
Открытые
два года обратно железосодержащие сверхпроводники возродили интерес к одной из
самых интригующих физических проблем современности — построению теории
высокотемпературной сверхпроводимости. Главной загадкой на пути решения этой
задачи остаются неизвестные и не понятые до сих пор процессы внутри вещества,
которые ответственны за его сверхпроводящее состояние и которые позволяют ему
иметь высокую критическую температуру (температуру перехода из нормального
состояния в сверхпроводящее). Японские ученые в журнале Physical Review Letters
опубликовали экспериментальную работу, результаты которой могут внести
некоторую определенность в понимание этих внутренних механизмов
сверхпроводимости с высокой критической температурой.
Кристаллическая
решетка BaFe2As2. Изображение с сайта www.natureasia.com
Сверхпроводимость
характеризуется отсутствием электрического сопротивления и идеальным
диамагнетизмом (абсолютным непроникновением магнитного поля внутрь материала).
Она возникает у веществ, которые имеют температуру ниже определенного,
характерного только для них значения. Такая температура называется критической (Tc).
Хотя
сверхпроводимость была открыта голландским ученым Хейке Камерлинг-Оннесом
вдобавок в начале прошлого века (в 1911 году), объяснено это явление было лишь
спустя примерно 50 лет (в 1957 году). Создателями теории сверхпроводимости
принято считать Джона Бардина, Леона Купера и Джона Шриффера. Они установили,
что вещество становится сверхпроводящим благодаря объединению электронов проводимости
в пары (именуемые куперовскими) и их дальнейшей синхронизации. Иными словами,
все электроны ведут себя как единое неделимое (ни один из электронов не
стремится в этом состоянии показать свою «индивидуальность») и благодаря этому
обтекают без какого-либо сопротивления кристаллическую решетку вещества.
Появление
куперовских пар обусловлено сложным взаимодействием ионов кристаллической
решетки и электронов. Электроны обмениваются безмассовыми «почти» частицами
(квазичастицами) фононами — квантами колебательного движения ионов. «Почти» —
потому что фононы не могут существовать в свободном состоянии, их жизнь
ограничена кристаллической решеткой. В результате обмена квазичастицами промеж
электронами появляется притяжение, что в свою очередь приводит к образованию
куперовских пар. Описанный процесс формирования куперовских пар получил
наименование электрон-фононного взаимодействия (механизма). Именно этот
механизм и составляет основу теории сверхпроводимости, или теории БКШ,
названной так по первым буквам фамилий ее авторов.
Надо
сказать, что теория БКШ, как и любая другая физическая теория, не возникла
спонтанным образом. Она стала итогом последовательных экспериментальных и
теоретических исследований различных ученых. Среди этого многообразия особо
стоит выделить публикации английского физика Герберта Фрёлиха, который в 1950 году
первым указал на существенную роль влияния ионов на электроны в возникновении
сверхпроводимости. Из своей идеи профессор смог вывести заключение о том, что
критическая температура в семействе изотопов данного сверхпроводника должна
быть назад пропорциональна квадратному корню массы иона М (молекулярной массы),
то есть Tc ~ M–α (значок «~» обозначает пропорциональность), где α = 0,5.
Проще говоря, чем больше молекулярная масса сверхпроводящего вещества, тем
меньше его критическая температура. Такая зависимость получила наименование
«изотопический эффект», или «изотоп-эффект». В том же году Эммануэль Максвелл
обнаружил изотопический эффект в изотопах ртути, что явилось веским доказательством
правильности гипотезы Фрёлиха. Позже изотоп-эффект был открыт и у других
сверхпроводников (см. таблицу 1).
Таблица
1. Изотопический эффект в различных сверхпроводниках
СверхпроводникαМеханизм
сверхпроводимостиHg (ртуть)0,5±0,03фононныйTl (таллий)0,5±0,1фононныйCd
(кадмий)0,5±0,1фононныйMo (молибден)0,33±0,05фононный
La0,89Sr0,11CuO4
(замена
16О на 18О)
≈0,07?
YBa2Cu3O7
(замена
16О на 18О)
≈0,02?
*Знак
вопроса означает, что ученые не знают истинной причины формирования куперовских
пар и, сообразно, возникновения сверхпроводимости.
Отметим,
что в рассуждениях Фрёлиха речь шла о моноатомных сверхпроводниках, то есть
материалах, образованных из одного химического элемента.
Когда
в 1986-87 годах была обнаружена высокотемпературная сверхпроводимость в купратных
(медьсодержащих) соединениях La0,89Sr0,11CuO4 (Tc = 40 К) и YBa2Cu3O7 (Tc = 92 К)
и др., ученым стало ясно, что ставшая уже классической теория БКШ не в
состоянии ее объяснить. БКШ-теория не допускает существования столь высокой
критической температуры в веществах с такой силой электрон-фононного
взаимодействия. На то, что не фононы заставляют объединяться электроны в
высокотемпературных сверхпроводниках (ВТСП), указывало и неимение у этих ВТСП
изотоп-эффекта по кислороду — элементу, который наряду с медью присутствует во всех
открытых впоследствии сверхпроводниках с высокой Tc. Замещение традиционного
кислорода 16О другими его изотопами чрезвычайно слабо изменяло критическую
температуру (см. таблицу 1).
С
тех пор изотоп-эффект стал рассматриваться как необыкновенный тест на
причастность фононов к появлению сверхпроводимости. Если α равно или близ
к 0,5, то в данном материале куперовские пары (сверхпроводимость) возникают за счет
электрон-фононного притяжения. В противном случае сверхпроводимость вызвана
иным механизмом.
Чтобы
выявить наличие или неимение изотоп-эффекта в сверхпроводнике, надобно
определить показатель степени α в зависимости Tc ~ M–α. Рассчитать
α из экспериментальных данных не сложно. Так как Tc ~ M–α, то герб
равенства промеж критической температурой и массой иона возникнет, если
переписать эту зависимость в таком виде: Tc = const·M–α (const — это
постоянная величина, константа, которая от Tc и M не зависит).
Продифференцировав Tc по M и вспомнив определение производной функции, получим
формулу:
,
где
ΔM и ΔT соответствуют разности масс ионов и разности критических
температур, возникающей при замещении иона его изотопом. Из этой формулы,
опираясь на экспериментальные данные, ученые и определяют α, то есть
наличие или неимение изотопического эффекта.
Конечно,
изотоп-эффект не дает прямого ответа на важнейший вопрос высокотемпературной
сверхпроводимости: что заставляет электроны в ВТСП объединяться в пары? Однако
он играет важную роль в распутывании этой загадки, в частности позволяет
определить ступень причастности фононов к возникновению куперовских пар.
С
открытием в 2008 году железосодержащих ВТСП поиски причин возникновения
высокотемпературной сверхпроводимости возобновились с новой силой. И, конечно,
в первую очередь ученых заинтересовала величина вклада электрон-фононного
взаимодействия в сверхпроводимость «железных» сверхпроводников. Будет ли этот
вклад отличен от нуля или он так же пренебрежительно мал, как и в купратных
ВТСП? Один из возможных способов решения данной проблемы связан с обнаружением
(или необнаружением) изотопического эффекта по железу — веществу, объединяющие
«железные» сверхпроводники в один класс.
Впервые
изотоп-эффект в железосодержащих ВТСП, а точнее, в поликристаллических
соединениях SmFeAsO1–xFx (х = 0,15) с Tc = 40 К и Ba1–xKxFe2As2 (х = 0,4) с Tc =
37 К был открыт группой китайских ученых в 2009 году. Заменяя атомы природного
(наиболее распространенного) железа 56Fe изотопом 54Fe, исследователи выяснили,
что показатель степени α находится вблизи от 0,5 и предположительно равен 0,35.
Из результатов эксперимента ученые заключили, что частично (частично — потому
что α равно не 0,5, а чуть меньше – 0,35) куперовские пары формируются под
действием электрон-фононного взаимодействия, но бесспорно, что количественно
этот процесс классической теорией БКШ не описать.
История
с изотопическим эффектом в железосодержащих сверхпроводниках получила свое
продолжение в недавно опубликованной в журнале Physical Review Letters статье
японских ученых Inverse Iron Isotope Effect on the Transition Temperature of
the (Ba,K)Fe2As2 Superconductor (доступной также здесь). Они сосредоточили свое
внимание на изотоп-эффекте по железу в поликристаллах Ba1–xKxFe2As2 —
сверхпроводника, в котором тот же эффект по железу исследовали их китайские
коллеги.
Чтобы
достичь минимальной грехи в итоговых результатах, авторы статьи приготовили
семь наборов из сверхпроводящего Ba1–xKxFe2As2 по два образца в каждом. Условия
их производства были совершенно идентичными. разность заключалась лишь в
химическом составе, а точнее, в использовании при изготовлении сверхпроводника
наряду с обычным железом (56Fe, в таблице оно обозначено как nFe) двух его
других стабильных изотопов: 54Fe и 57Fe. предположим, набор S2, как видно из
таблицы, представляет собой два одинаково приготовленных поликристалла
Ba1–xKxFe2As2, в состав которых входят изотопы железа-54 и 57 соответственно.
Таблица
2. Критическая температура, сдвиг критической температуры и показатель степени
в изотопическом эффекте по железу в зависимости от изотопа Fe, входящего в
состав сверхпроводящих поликристаллов Ba1–xKxFe2As2
Из
полученных данных (см. таблицу 2) ученые рассчитали показатель степени α и
обнаружили, что, во-первых, он отличается от нуля и в среднем равен –0,18.
Во-вторых, и это самое необычное, он имеет отрицательный герб, то есть чем
тяжелее ион железа, входящий в сверхпроводник, тем выше критическая
температура. В подавляющем большинстве сверхпроводники, если и обладают
изотоп-эффектом, то для них α — положительное число.
Возникающее
противоречие с результатами предыдущей работы по изотоп-эффекту (см. выше)
авторы статьи объясняют несовершенством изготовления поликристаллов
Ba1–xKxFe2As2, делая упор на возможную неточность в допировании исследуемого
вещества атомами калия.
Какие
выводы делают из своей работы японские экспериментаторы? Ненулевое значение α
указывает на то, что фононы нельзя скидывать со счетов в теории
сверхпроводимости «железных» ВТСП. Однако отрицательная величина α говорит
о том, что механизм электрон-фононного взаимодействия, возможно, более трудный,
чем описываемый в теории БКШ. На основании того, что α в среднем равно –0,18,
а не 0,5, авторы статьи делают следующее догадка. По их мнению, в
железосодержащих ВТСП реализуется экзотический механизм объединения куперовских
пар: смесь «более сложного» электрон-фононного и обменного взаимодействий. В одной
из прошлых новостей «Элементы» уже писали вероятном обменном механизме
формирования пар электронов. Поэтому лишь напомним, что обменное взаимодействие
частиц представляет собой квантовый (связанный с принципом запрета Паули)
аналог электростатического взаимодействия.
Таким
образом, если теоретикам удастся объяснить такой аномальный изотоп-эффект в
«железных» ВТСП в рамках высказанной авторами обсуждаемой статьи гипотезы о
смешанном взаимодействии электронов, то не исключено, что природа
высокотемпературной сверхпроводимости может проясниться не только для данного
класса сверхпроводников.
Источник:
Parasharam M. Shirage, Kunihiro Kihou, Kiichi Miyazawa, Chul-Ho Lee, Hijiri
Kito, Hiroshi Eisaki, Takashi Yanagisawa, Yasumoto Tanaka, Akira Iyo. Inverse Iron Isotope Effect on the Transition Temperature of the
(Ba,K)Fe2As2 Superconductor // Phys. Rev. Lett. 103, 257003 (2009).
Список
литературы
Для
подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://www.informbase.com.ua |
