Один из самых актуальных вопросов современной физики твердого тела – отличается ли механизм высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) от классического механизма БКШ и если да, то чем? Главный научный сотрудник Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) чл.-корр. РАН Евгений Максимов и его коллега профессор МГУ Ярослав Пономарев рассказывают о результатах эксперимента, вносящего некоторую ясность в этот вопрос.

Сверхпроводимость – явление полного исчезновения сопротивления электрическому току в металлах при низких температурах. Его «расшифровка» оказалась весьма непростым делом: само явление обнаружено в 1911 году, а понимание его механизма, так называемая теория Бардина-Купера-Шриффера (БКШ), пришло только в 1956 году. Оказалось, что сверхпроводимость – движение электронов в металле без сопротивления – возникает в результате взаимодействия электронов с фононами (от греческого «фонос» – звук). Такое красивое название для колебаний кристаллической решетки придумал основатель отдела теоретической физики ФИАН и нобелевский лауреат Игорь Тамм.

За два последних десятилетия было открыто большое число так называемых высокотемпературных сверхпроводников, в том числе в 2008 году – новый класс материалов на основе арсенидов железа. Рекордные температуры сверхпроводящего перехода, которыми отличились эти новые сверхпроводники, резко обострили дискуссию о природе их сверхпроводимости.

Наиболее существенным отличием сверхпроводника от нормального (то есть несверхпроводящего) металла является наличие в его электронном спектре так называемой «сверхпроводящей щели», то есть области, в которой нет разрешенных электронных состояний. Образно эту щель можно уподобить воздушной подушке, позволяющей судну резко увеличить свою скорость. Одним из наиболее надежных способов определения параметров сверхпроводящей щели является измерение вольтамперной характеристики туннельного контакта, то есть зависимости тока от напряжения. Когда материал находится в нормальном состоянии, эта зависимость линейна, то есть подчиняется закону Ома, занимающему почетное место в школьной программе. Но в случае сверхпроводника вид вольтамперной характеристики контакта резко меняется.

«Для изучения сверхпроводящей щели, – рассказывает Евгений Максимов, – нужно измерять вольтамперную характеристику контакта двух сверхпроводников или так называемую туннельную характеристику. Исследование туннельных характеристик – очень мощное оружие, их много изучали в случае старых классических сверхпроводников. Для этого необходимо напылить одну сверхпроводящую пленку, положить на нее какой-то довольно тонкий изолятор (или просто окислить металлическую пленку, подержав ее на воздухе), а затем напылить сверху вторую пленку. Но сделать все это нужно очень качественно, чтобы не допустить прокола – соприкосновения сверхпроводящих слоев».

Подобные проколы неоднократно приводили к возникновению хитроумных моделей, придуманных в ответ на интерпретации неадекватных экспериментов. А в ряде классов высокотемпературных сверхпроводников ситуация усугубляется:

«Сделать классические контакты в новых сверхпроводниках невозможно, – сетует Максимов. – Но люди придумали выход: берут пленку и, напирая на нее, ломают. Все новые сверхпроводники еще и слоистые, пленка трескается, и возникает тот самый туннельный контакт, который нужен для измерений».

Но и эта процедура не решила всех проблем – для надежных измерений нужен набор статистики, то есть необходимо делать и измерять десятки таких контактов в одном образце. И первым научился это делать профессор МГУ Ярослав Пономарев. Под его руководством была создана установка, включающая быстродействующий автоматический цифровой мост, позволяющий записывать вольтамперные характеристики с очень высокой точностью.

Вот что рассказал Ярослав Пономарев о технологии эксперимента:

«Сначала из заготовок вырезаем прямоугольные образцы миллиметровой ширины и толщиной порядка 0,2–0,3 мм. Потом в центральной части образца пропиливаем небольшое углубление, и кладем его на специальную подложку с токовыми и потенциальными контактами из жидкого индий-галлиевого припоя. Получается, что образец как бы плавает на контактах и благодаря этой уловке он остается целым при монтаже столика в криостате. При гелиевой температуре индий-галиевый припой затвердевает, и образец жестко закрепляется. Если с помощью микрометрического винта деформировать подложку, то в образце, в месте углубления, образуется микротрещина. Этим же винтом можно смещать криогенные сколы в малых пределах относительно друг друга и тем самым перестраивать микроконтакт непосредственно в процессе измерений. За одну такую заливку удается записать около 20–30 (!) качественных характеристик микроконтактов».

По виду вольтамперных характеристик получаемые микроконтакты можно разделить на два основных типа: туннельные контакты сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник и, так называемые, андреевские баллистические наноконтакты. Последние возникают при туннелировании электронов между пленками, разделенными нормальным металлом, а не диэлектриком.

Через контакт сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник может протекать сверхпроводящий ток, назывемый джозефсоновским (за открытие этого эффекта в 1973 году была присуждена Нобелевская премия). В этом случае напряжению оказывается пропорциональна не сила тока, а его частота. При совпадении джозефсоновской частоты с частотами определенных фононных колебаний на характеристике джозефсоновского ВТСП контакта возникает ряд особенностей, которые хорошо заметны. Это позволяет определять энергию фононных колебаний с очень высокой точностью. Таким образом, получается новый метод исследования ВТСП – терагерцовая фононная спектроскопия.

Методика эксперимента позволяет также использовать уникальное явление -внутренний эффект Джозефсона, который обнаруживается в слоистых ВТСП типа Bi₂Sr₂Ca₁Cu₂O₈. Такой сверхпроводник представляет собой естественную «стопку» джозефсоновских контактов – здесь сверхпроводящие блоки из CO₂-плоскостей толщиной порядка 2.5 Å чередуются с изолирующими слоями SrO-BiO-BiO-SrO толщиной около 12.5 Å. Как говорит профессор Пономарев,

«наноступеньки» на поверхности криогенных сколов монокристаллов Bi₂Sr₂Ca₁Cu₂O₈ обладают великолепными многоветвевыми вольтамперными характеристками при гелиевых температурах! В частности, благодаря этому мы установили, что при совпадении удвоенной величины щели (2∆) с энергией одной из оптических фононных мод в наноступеньках возникает резонансное возбуждение 2∆-фононов. На вольтамперных характериситах при этом появляются гигантские нестабильности, которые сопровождаются излучением электромагнитных волн в терагерцевом диапазоне".

Благодаря исключительной результативности созданной установки сотрудничество МГУ с ФИАНом вылилось в систематические исследования высокотемпературной сверхпроводимости. Такие исследования методами туннельной и андреевской спектроскопии проводятся совместно с сотрудниками ФИАН доктором физ.-мат. наук Е.Г. Максимовым и С.И. Красносвободцевым в течение последних десяти лет, а в 2009 году были начаты исследования и новых железосодержащих сверхпроводников – совместно с сотрудниками ФИАН доктором физ.-мат. наук В.М. Пудаловым и кандидатом физ.-мат.наук Ю.Ф. Ельцевым.

Евгений Максимов с удовлетворением резюмирует результаты законченного эксперимента:

«Нам удалось наблюдать и доказать, что в высокотемпературных сверхпроводниках с электронами взаимодействуют фононы, то есть по сути эти сверхпроводники ничем радикально не отличаются от старых. А все предлагаемые на роль фононов некие спиноны и прочее – они здесь просто не видны. То есть в новых сверхпроводниках работает все то же электрон-фононное взаимодействие».