Ученые из Физического института им. П.Н. Лебедева РАН провели исследование «гигантского» термоэлектрического эффекта в обычных сверхпроводниках. Их вывод – усиления эффекта можно добиться с помощью легирования сверхпроводников магнитными примесями.

Термоэлектрический эффект в обычных телах состоит в появлении электрического потенциала на границе двух проводников, находящихся при разной температуре. Несколько иная ситуация возникает в сверхпроводниках, так как их свойства не позволяют электрическому полю проникнуть внутрь тела.

Нормальный ток в сверхпроводниках в результате оказывается скомпенсирован сверхпроводящим током. Академик Виталий Лазаревич Гинзбург в 1944 году продемонстрировал, что

такая компенсация отсутствует в неоднородных, или анизотропных сверхпроводниках, что позволяет экспериментально обнаружить термоэлектрический ток в этих структурах.

Эксперименты, действительно, подтвердили наличие термоэлектрического тока, однако и величина эффекта, и его зависимость от температуры существенно разошлись с теоретическими построениями. Так, к удивлению учёных, величина эффекта превысила спрогнозированное ранее значение на несколько порядков. Убедительного объяснения такого расхождения между теорией и экспериментом пока не предложено, и парадокс остаётся неразрешённым до сих пор.

В 2004 году шведские учёные теоретически изучили появление термоэлектрического эффекта в высокотемпературных сверхпроводниках и установили, что в них он может достигать ещё больших значений – поэтому его назвали «гигантским». Учёные из Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) и Нижегородского государственного технического университета (НГТУ) им. Р.Е. Алексеева решили посмотреть, как проявит себя термоэлектрический эффект в низкотемпературных сверхпроводниках, и возможно ли выявить механизм его увеличения в них.

Ключевую роль в этом процессе играет асимметрия между электронами и дырками (носителями положительного заряда, численно равного заряду электронов). В нормальном состоянии «вклады» электроноподобных и дырочных возбуждений в термоэлектрический эффект имеют противоположные знаки и практически полностью взаимосокращаются. В то же время в сверхпроводниках с «необычным» (анизотропным) спариванием электронов рассеяние на примесях может приводить к более существенным значениям термоэлектрического коэффициента. Это происходит благодаря появлению так называемых квазисвязанных андреевских состояний рядом с примесями.

Суть явления объясняет участник работы, старший научный сотрудник ФИАН, кандидат физико-математических наук Михаил Каленков:

«Андреевские состояния появляются в процессе отражения электронов на границе нормального металла и сверхпроводника. Появление этих состояний проще всего проиллюстрировать на примере "слойки», состоящей из слоя нормального металла, зажатого между двумя сверхпроводниками. Когда электрон, находящийся в нормальном слое, достигает сверхпроводника, он отражается обратно в виде дырки. Эта дырка попадает в другой сверхпроводящий слой и отражается от него в виде электрона. Появляется замкнутая орбита. При этом из квантовой механики известно, что если возникает замкнутая орбита, то у нас появляется квантование, а значит, возникает связанное состояние. Оно называется андреевским состоянием".

Для того чтобы «получить» андреевское состояние в низкотемпературном сверхпроводнике, физики решили добавить в него так называемую магнитную примесь – этот выбор обусловлен тем, что именно такая примесь подавляет сверхпроводимость. Михаил Каленков: «Если "уменьшить» долю нормального металла и взять уже не прослойку, а гранулу, то в случае обычного, изотропного, сверхпроводника, ничего не получится: андреевские состояния быстро потеряют стабильность, они будут «выдавливаться» из щели и потом просто пропадут. А если внутрь сверхпроводника добавить магнитную примесь, то есть точечный дефект, то вблизи появляется связанное состояние, которое нам и нужно".

В итоге появляющееся андреевское состояние нарушает симметрию между электроноподобными и дырочными возбуждениями, а это, в свою очередь, приводит к появлению «гигантского» термоэлектрического эффекта. Ему дополнительно способствует различие во времени рассеяния для электронов и дырок. Впрочем, в случае низкотемпературных сверхпроводников, по словам Михаила Каленкова, не совсем корректно разделять электронное и дырочное возбуждение, так как эти частицы находятся в суперпозиции, то есть как будто «смешиваются». Тем не менее, даже с учётом этого можно уверенно считать, что

процесс идёт по схеме, присущей высокотемпературным сверхпроводникам, и расчёты можно проводить сходным образом.

Поводом для проведения исследования стала разработка болометра (теплового приёмника излучения), которая проводится в НГТУ. Этот прибор будет исследовать параметры реликтового излучения с борта аэростата. Основным компонентом болометра должен стать сверхпроводящий элемент, поэтому исследование его термоэлектрических характеристик было особенно важно. Одна из идей по увеличению эффекта – добавление магнитных примесей – и получила развитие в работе учёных из ФИАН и НГТУ. Несмотря на то, что сейчас исследователи предполагают использовать другой, более эффективный способ детектирования излучения, создание болометра стало важной отправной точкой для проведения описанной выше теоретической работы и остаётся одним из возможных способов её экспериментальной проверки.