• admin
  • Комментариев: 0
  • Просмотров: 172
  • 21-09-2015, 22:04

Посилення надпровідності паралельним магнітним полем в ультратонкої аморфної плівці свинцю. Абсолютна (шкала ліворуч) і відносне (шкала праворуч) збільшення критичної температури Tc по відношенню до Tc0 = 3,814 K для плівки в відсутність магнітного поля. Товщина плівки 21,1 Å. По осі абсцис відкладена індукція магнітного поля в теслах. Малюнок з обговорюваної статті в Nature Physics
Надпровідність - це квантовий стан речовини, яка, крім зовнішніх ознак - відсутності опору і абсолютної несприйнятливості до магнітного поля, - характеризується формуванням синхронізованих між собою пар з електронів провідності. У силу особливостей будови і характеристик електронних пар магнітне поле з індукцією вище певного рівня зменшує критичну температуру надпровідника, тобто температуру, нижче якої в ньому реалізується явище надпровідності. Колектив американських учених, провівши експерименти з ультратонкими (порядку 10-9 м) аморфними плівками свинцю, виявив, що сильне магнітне поле, навпаки, підвищує їх критичну температуру. Отриманий результат суперечить загальноприйнятій теорії надпровідності.

Причиною виникнення надпровідності, тобто появи у речовини нескінченно великою провідності і ідеального діамагнетизму (виштовхування зовнішнього магнітного поля), є формування в ньому пар з електронів провідності, провідних себе потім синхронізованим чином. Така єдність дозволяє електронам без тертя протікати через кристалічну решітку матеріалу і злагоджено «відбивати атаки» силових ліній магнітного поля.

Відповідно до загальноприйнятої мікроскопічної теорії надпровідності (відомої ще як теорія Бардіна-Купера-Шриффера або, скорочено, БКШ), формування електронних пар відбувається, коли температура речовини стає менше певної величини, індивідуальної для даного матеріалу, - критичної температури Tc. При температурі нижче Tc електрони, за допомогою обміну фононами, притягуються один до одного і утворюють пару, часто звану куперовской на прізвище американського фізика-теоретика Леона Купера, предсказавшего це явище. Зараз таке притягання відомо як фононна взаємодія; при температурі нижче критичної воно стає сильнішою, ніж кулонівське відштовхування цих однойменно заряджених частинок.

Тут важливо зазначити, що в теорії БКШ освіту куперовских пар можливо лише з електронів з протилежно спрямованими імпульсами і спинами. Навпаки, в так званих «незвичайних» надпровідниках, надпровідні властивості яких не пояснюються теорією БКШ, напрямки спинив електронів в куперовских парах можуть збігатися.

Визначення надпровідності дозволяє зрозуміти, як її можна зруйнувати. Перший спосіб - нагріти надпровідник до температури вище критичної. Другий - посилювати магнітне поле настільки, щоб надпровідний матеріал вже не міг відштовхувати силові лінії цього поля. На мікроскопічному рівні руйнування куперовских пар теплом пояснюється зниженням енергії зв'язку електронів в куперовской парі. У разі посилення магнітного поля руйнування пар електронів пояснюється двома ефектами - парамагнітним і орбітальним. Парамагнітний ефект полягає в прагненні магнітного поля вибудувати спини електронів в напрямку своїх силових ліній. Оскільки спини в куперовской парі, як уже було сказано, мають антипаралельними напрямок, то коли сильне магнітне поле випрямляє «неправильну» орієнтацію одного з електронів пари, їй вже з погляду енергії невигідно продовжувати своє існування (діє принцип Паулі). Орбітальний ефект полягає в тому, що, оскільки імпульси електронів в парі спрямовані протилежно, на кожен електрон буде діяти різноспрямована сила Лоренца, яка буде розтягувати частинки в куперовской парі подібно нитці, кінці якої тягнуть в різні боки.

З усього сказаного можна зробити наступний висновок: в теорії БКШ немає механізму, який робив би куперовские пари міцніше в магнітному полі, підвищуючи тим самим критичну температуру надпровідника. Справедливості заради, правда, варто зауважити, що існують сполуки на основі урану, які в сильних магнітних полях відновлюють надпровідність, втрачену раніше в більш слабкому полі (див. Відкрита екзотична надпровідність в сильному магнітному полі, «Елементи», 30.08.2005). Однак ці надпровідники відносяться до вже згаданої категорії «незвичайних», для яких теорія БКШ непридатна. Яким чином магнітне поле стимулює в цих речовинах відродження надпровідності, для вчених поки неясно.

У зв'язку з цим опубліковані в журналі Nature Physics результати експериментів групи американських вчених здаються дивними й вельми несподіваними. Автори цієї роботи повідомляють про зростання критичної температури ультратонких (товщина близько 10 Å, 1 Å = 10-10 м) плівок свинцю зі збільшенням індукції магнітного поля, силові лінії якого орієнтовані паралельно поверхні досліджуваних зразків. Неординарність отриманих результатів насамперед тут полягає в тому, що свинець відноситься до числа «звичайних» надпровідників, для яких прекрасно працює теорія БКШ. А тому при збільшенні індукції магнітного поля критична температура повинна за квадратичним законом зменшуватися.

Для початку кілька слів про методику експерименту. По-перше, вивчення даного явища проходило в діапазоні індукцій магнітного поля від 0 до 8 Тесла (Тл). По-друге, зміна орієнтації магнітного поля з паралельною плівкам на перпендикулярну призводило до того, що критична температура зразків очікувано зменшувалася. По-третє, свинцеві плівки були аморфними. Іншими словами, в матеріалі відсутня кристалічна решітка, і розташування атомів носило невпорядкований характер. Попутно також варто відзначити, що в таких практично двовимірних (або, як кажуть, квазідвумерних) конфігураціях свинцю його критична температура істотно залежить від товщини і може бути в кілька разів менше критичної температури для масивних зразків даної речовини, яка становить близько 7,2 К.

На рис. 1 представлений, мабуть, основний результат експериментальних досліджень авторів статті. На ньому наведені дані по приросту ДTc критичної температури аморфної свинцевою плівки товщиною 21,1 Å залежно від прикладається до неї паралельного магнітного поля.

Цікаво, що дана залежність носить явно немонотонний характер. Максимальне збільшення Tc спостерігається, коли індукція магнітного поля становить приблизно 5 Тл. Щоб усвідомити, наскільки велике для надпровідного свинцю це значення, скажімо, що в масивних зразках, температура яких близька до абсолютного нуля, надпровідність зникає в полях з індукцією вище всього 0,08 Тл.

На перший погляд може здатися, що збільшення не таке вже значне, всього лише на 8%, або на 302 міллікельвіна в абсолютних одиницях (див. Рис. 1), проте тут важливий сам факт присутності цього зростання і те, при яких величезних значеннях магнітного поля спостережуваний ефект реалізується в надпровіднику, для якого магнітне поле, як відомо, є «ворогом».

Далі у своїх вишукуваннях автори зацікавилися питанням, як еволюціонує критична температура квазідвумерних зразків, якщо міняти їх товщину. Відповідь наведено на рис. 2, де візуалізовані експериментальні дані, що показують збільшення Tc для набору з восьми плівок різної товщини.

Рис. 2. Залежність зростання ΔTc критичної температури квазідвумерних аморфних плівок свинцю від їх товщини (наведена на графіку) в паралельному магнітному полі. Для самої тонкої плівки (червоні квадрати) критична температура у відсутності магнітного поля складає Tc0 = 0,486 К, для самої товстої (фіолетові трикутники), яку можна вже інтерпретувати як масивний тривимірний зразок, Tc0 = 6,44 К. Малюнок з обговорюваної статті в Nature Physics
Як і на графіку малюнка 1, дана залежність також має свої особливості. Виявляється, максимальне збільшення критичної температури реалізується не для самої тонкої плівки, як начебто мало б бути, а для зразка з проміжною товщиною 21,1 Å (дані по цій плівці були приведені на рис. 1). В цілому ж, практично всі залежності на якісному рівні збігаються: до певного значення магнітного поля критична температура зростає, потім слід максимум, потім монотонне спадання.

Які можуть бути причини виявленого явища, для авторів публікації поки залишається загадкою. Вчені у своїй статті висунули кілька гіпотез, однак аргументи носять евристичний характер і претендувати на остаточне пояснення не можуть. До того ж, як зауважують дослідники, необхідно більш ретельно проміряти величину ефекту в залежності від товщини зразків, наявності в них магнітних домішок і інших характеристик речовини, які можуть вплинути на приріст критичної температури