Изучение сверхпроводимости пниктидов позволило исследователям из Японии и Китая предложить третий механизм реализации сверхпроводниковых свойств в материалах.

Сверхпроводимость пниктидов (pnictides) была обнаружена лишь недавно, эти материалы, хоть и относятся к высокотемпературным сверхпроводникам, температура их перехода в сверхпроводимое состояние гораздо ниже комнатной.

Обнаружение или создание материала, способного проявлять сверхпроводимые свойства при комнатной температуре, является одной из наиболее значимых задач современной физики, ее решение позволило бы совершить революцию в электронике, значительно понизив расход энергии электронных устройств.

Сверхпроводимые свойства материала начинают проявляться тогда, когда два электрона, взаимодействуя друг с другом, образуют так называемую куперовскую пару (cooper pairs). Образование куперовской пары приводит к тому, что в энергетическом спектре сверхпроводящего материала появляется щель, которая приводит к потере электронами чувствительности к факторам, обычно вызывающим электрическое сопротивление. Электроны могут образовывать куперовские пары двумя различными путями, что отражается в классификации сверхпроводников.

Рис. 1. Три способа образования куперовских
пар – коленбание кристаллической
решетки (сверху), спинов электронов
(посередине) и флуктуация орбиталей
электронов (zx и yz) (внизу). Желтые
сферы представляют куперовские пары
электронов. (Рисунок из Science, 2011, 332,
6029, 564).

До работы Такахиро Симоджимы (Takahiro Shimojima) из Университета Токио сверхпроводники относили к двум категориям. В классических сверхпроводниках, приобретающих эти свойства при очень низких температурах, спаривание электронов обуславливается колебаниями кристаллической решетки материала. В купратах, первых высокотемпературных сверхпроводниках, спаривание электронов происходит благодаря магнитному взаимодействию, вызванному спиновыми свойствами электронов. Первоначально исследователи предполагали, что механизм возникновения сверхпроводимости в пниктидах сходен с механизмом, свойственным для купратов, однако этой гипотезе противоречили результаты многочисленных экспериментов.

Чтобы создать непротиворечивую теорию образования куперовских пар в пниктидах исследователи провели детальное изучение свойств энергетической щели в этих материалах. Такое изучение проводили с помощью высокоэнергетических лазеров, что позволило получить беспрецедентно исчерпывающую информацию о природе энергетической щели в сверхпроводниках-пниктидах.

К удивлению Симоджимы и его коллег, оказалось, что в пниктидах образование куперовских пар происходит при участии вырожденных орбиталей, взаимодействие и флуктуации которых в данном случае и является причиной сверхпроводимости.

Новый механизм возникновения сверхпроводимости может привести к созданию новых сверхпроводников, работающих по вновь обнаруженному принципу, который, очевидно, следует признать третьим способом появления сверхпроводниковых свойств у материалов. Симоджима уверен, что результаты его работы приближают нас к мечте – получению материалов, обладающих сверхпроводимостью при комнатной температуре.