http://www.ras.ru/digest/showdnews.aspx?id=090ba33a-60d3-4cce-8608-545f6c4d42fe&print=1© 2024 Российская академия наук
Виктор Лахно рассказал о противоречиях в классической теории сверхпроводимости и о своей гипотезе, которая может их разрешить
Благодаря открытию первых высокотемпературных сверхпроводников, которые могут работать при высоких температурах в экзотических условиях, первые полноценные "комнатные" сверхпроводники создадут в ближайшие один-два десятилетия. Так считает российский физик-теоретик, директор Института математических проблем биологии РАН Виктор Лахно. Он рассказал ТАСС о том, как работают сверхпроводники и что может разрешить противоречия в классической теории сверхпроводимости.
"Сейчас мы находимся в состоянии, похожем на ту ситуацию, которая возникла после прокладки трансатлантического телеграфного кабеля в середине XIX века. Уравнения Максвелла еще не были открыты, однако это не мешало человечеству использовать телеграф. Открытия последних лет запустили настоящую гонку по созданию высокотемпературных сверхпроводников. Для теоретика нет никакой разницы, работают ли текущие материалы такого рода при сверхвысоких давлениях или при комнатном давлении. Сам факт их существования говорит о том, что их "комнатные" аналоги рано или поздно появятся", – считает ученый.
За последние годы химики и физики создали несколько новых типов сверхпроводников, которые работают при очень высоких температурах. К примеру, пять лет назад российские и немецкие исследователи выяснили, что подобные свойства может проявлять обычный сероводород, если его сжать до нескольких миллионов атмосфер. Для самых удачных версий этого соединения температура перехода в сверхпроводимое состояние приближается к отметке в –70 °С, что сопоставимо с температурами в Антарктике.
Открытие подобных соединений потребовало нового теоретического объяснения того, как эти материалы проводят ток без измеримых потерь. Дело в том, что согласно классической теории сверхпроводимости, которую в середине прошлого века сформулировали Джон Бардин, Леон Купер и Джон Шриффер (по их фамилиям эту теорию называют теорией БКШ), они не должны существовать.
"Самой большой загадкой этого физического феномена по-прежнему остается вопрос того, как именно он работает. Если почитать современные научные статьи по сверхпроводимости, то можно заметить, что ведущие теоретики и экспериментаторы употребляют выражение "спаренные электроны", однако оно никогда не расшифровывается. Дело в том, что никто точно не знает, что они на самом деле представляют собой", – отмечает Лахно.
Раньше ученые предполагали, что за сверхпроводимость отвечают так называемые куперовские пары, попарно связанные друг с другом электроны, существование которых Леон Купер теоретически описал в 1956 году. Современные данные опровергают эту гипотезу. Дело в том, что подобные пары электронов, объединенные так называемыми фононными взаимодействиями, при температуре выше 30 кельвинов (–243 °С) в принципе не должны существовать. Открытие высокотемпературных сверхпроводников показало, что некоторые положения теории Купера могут быть не верны.
Проблемы теории
"У теории БКШ и других объяснений существованию сверхпроводников есть и другие проблемы. К примеру, долгое время ученые считали, что в формировании куперовских пар участвуют все свободные электроны. На самом деле это не так. В 2016 году наши коллеги из США провели серию экспериментов, которая показала, что лишь небольшая часть частиц участвовала в их образовании", – пояснил ученый.
Как отметил Лахно, его теория разрешает эту проблему, а также объясняет многие другие необычные особенности, характерные как для купратов, давно известных высокотемпературных сверхпроводников на основе меди, так и для недавно открытых веществ подобного рода. В их число входят различные соединения водорода и некоторых других элементов, в том числе серы, лантана, актиния.
По его мнению, необычные свойства новых сверхпроводников, а также все характерные черты их классических аналогов могут объясняться тем, что сверхпроводящие материалы по структуре похожи на своеобразный двумерный или даже одномерный материал с необычными физическими свойствами.
В частности, он состоит из особых квазичастиц-поляронов, которые возникают внутри сверхпроводников в результате движения электронов. При этом он ведет себя как так называемый конденсат Бозе – Эйнштейна – особая форма материи. Она представляет собой особую квантовую субстанцию, которая ведет себя как один гигантский атом, "размазанный" на огромную площадь.
В прошлом ученые считали, что двумерные аналоги конденсата Бозе–Эйнштейна не могут существовать в принципе. Однако несколько лет назад российские физики-теоретики, в том числе Лахно, показали, что подобные структуры могут существовать внутри особых структур и зон в высокотемпературных сверхпроводниках.
"Биполяроны в сверхпроводниках обладают крайне необычными свойствами, они ведут себя как волны, а не как частицы, которые можно локализовать в конкретных точках пространства. Они образуют конденсат Бозе – Эйнштейна, их уже давно пытались связать со сверхпроводимостью. Однако их существование при высоких температурах раньше считалось невозможным. Наша теория показывает, что это возможно для делокализованных квазичастиц, которые могут двигаться по всему кристаллу и сохраняют стабильность не только при низких температурах", – пояснил Лахно.
Проверка практикой
Последняя версия этой теории, которую разработал Лахно и недавно опубликовал в научных статьях в российских и зарубежных научных журналах, внесла несколько важных уточнений в эти идеи. В частности, физик связал сверхпроводимость с так называемыми биполяронами – связанными парами поляронов, а также выявил возможные механизмы рождения таких пар и уточнил их природу.
Эта теория может объяснить, как биполяроны могут существовать при комнатных температурах, а также то, почему они возникают в "водородных" сверхпроводниках, которые по своим свойствам и структуре радикально отличаются от купратов и других металлических материалов такого рода.
"Теория – это одно дело, однако в дальнейшее развитие сверхпроводников должен вступить инженерный ум. В данном случае теория позволяет нам двигаться вперед не на ощупь, а осознанно. К примеру, я предложил простой подход: поскольку концентрация пар маленькая, то мы можем увеличить ее, взяв сверхпроводящий кабель и легировав его периферию магнитными примесями. Это приведет к увеличению концентрации пар в его середине", – отметил Лахно.
Как предполагает физик, эту идею можно достаточно легко воплотить на практике, если бы ей заинтересовался один из производителей высокотемпературных сверхпроводников. Проверить его гипотезу иначе можно в экспериментах, которые могли бы показать, что пары биполяронов будут существовать при высоких температурах.
По словам Лахно, подобные опыты в прошлом году уже провели физики из Йельского университета. Их эксперименты указали на то, что внутри медных высокотемпературных сверхпроводников есть определенные пары частиц, которые не распадаются при высоких температурах. Как предполагает ученый, они представляют собой пары биполяронов из его теории.
"Если мы подтвердим, что эти частицы существуют в конденсированной материи, то перед нами откроются чрезвычайно широкие теоретические перспективы и в других областях, в том числе в космологии и атомной физике. Нам, однако, нужно в первую очередь решать земные вопросы и создать реальные высокотемпературные сверхпроводники. До эпидемии я думал, что первые сверхпроводники, работающие при комнатной температуре и высоком давлении, появятся уже в этом году, однако теперь этот прогноз надо сдвинуть на полгода-год. А полностью эта задача будет решена в ближайшие одно-два десятилетия", – подытожил физик.