Российские ученые оптимистически смотрят на возможность достичь комнатной сверхпроводимости

Опубликовано empirv в 29 октября, 2009 - 11:57

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 130Тл).

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 физико-математических 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 (53К) 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% содержанием желаемой сверхпроводящей фазы, – рассказывает Владимир Пудалов.


Такой материал российским ученым удалось получить впервые в мире, до этого экспериментаторы довольствовались в лучшем случае 10% 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 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 130Тл. Это почти такая же величина, как и у наиболее изученного купратного сверхпроводника YBaCuO c почти вдвое большей критической температурой – 92К. Для сравнения, максимальное магнитное поле, получаемое в лабораторных условиях с помощью “традиционных” промышленно выпускаемых сверхпроводников (Nb3Sn, NbTi)), на сегодня едва достигает 21Тл. Этот предел связан с тем, что критическое магнитное поле для лучшего из традиционных сверхпроводников – Nb3Sn – составляет 28Тл, 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” сверхпроводников-магнетиков 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 Пудалов.


Открытие нового класса сверхпроводников, несомненно, даст новую подсказку теории, более 20 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.