Учёные разгадали одну из загадок сверхпроводимости

Открытию сверхпроводимости 8 апреля этого года исполнилось 113 лет. Почтенный возраст, но загадка явления так и не отгадана. Первая внятная теория сверхпроводимости была создана только в 1957 году, но через 50 лет снова пошли сюрпризы. Так, в 2009 году обнаруженная к тому времени высокотемпературная сверхпроводимость (ВТСП) подкинула новую задачу — в сверхпроводниках выше критической температуры обнаружился необъяснимый теорией энергетический зазор.

Слева показан режим нормальной энергетической щели в ВТСП, справа — положение электронов в режиме псевдощели. Источник изображения: Science

Полное понимание физики сверхпроводимости и ВТСП в частности позволит искать нужные материалы буквально с открытыми глазами, тогда как сейчас (и все предыдущие 113 лет) учёные движутся в основном наугад. Созданная полвека назад учёными Джоном Бардиным, Леоном Купером и Робертом Шриффером «теория БКШ» объясняет сверхпроводимость когерентным поведением пар электронов — так называемых куперовских пар. Это явление квантового порядка, что делает анализ и моделирование сверхпроводимости архисложной и едва ли выполнимой задачей. По крайней мере, так было до появления новой работы.

Группа учёных из Парижского политехнического института смогла разработать подход, который позволил бы моделировать поведение электронов и куперовских пар в ВТСП-материалах. По их словам, это прорыв, который трудно переоценить. Анализ вскрыл как минимум одну тайну, присущую ВТСП — как возникает в купратах (оксидах меди, обнаруживших сверхпроводимость в 1986 году) псевдощель. Это интересная и загадочная вещь, которой до сих пор не было внятного объяснения (были только две гипотезы).

В классических сверхпроводниках энергетическая щель, в которой из электронов образуются квантово запутанные куперовские пары, возникает при температуре ниже критической (когда сверхпроводимость становится возможной). Для случаев ВТСП энергетическая щель может возникать при температуре выше критической. Это означает, что сверхпроводимость может проявляться при высоких температурах, включая комнатные. Надо ли объяснять, что понимание физики явления сулит чудесные открытия? Но с точки зрения теории БКШ эта щель необъяснима, за что она стала называться псевдощелью. Учёные из Франции и Швейцарии теперь готовы объяснить, как и почему она возникает.

Для моделирования поведения электронов в ВТСП учёные воспользовались упрощённой моделью Хаббарда, к которой они применили статистический метод Монте-Карло. Модель Хаббарда представила электроны как пешки на шахматной доске, которые могут переходить с одной клетки на другую и выравниваются на ней (в материале) в зависимости от направления спина и даже могут располагаться на одной клетке в случае противоположно направленных спинов. Метод Монте-Карло позволил провести анализ всей «доски» единовременно, что приближает моделирование к естественному процессу.

Переход к режиму псевдощели моделирование представило как перестройку электронов на «шахматной доске» от полосовой упорядоченной структуры к пустотам, расположенным как бы в шахматном порядке. Как только исчезала черезполосица, материал приобретал свойства псевдощели.

«Наше открытие поможет учёным в их поисках сверхпроводимости при комнатной температуре, Святого Грааля физики конденсированных сред, который позволил бы передавать энергию без потерь, более быстрые аппараты МРТ и сверхбыстрые левитирующие поезда», — отмечают авторы исследования.