В результате совместной работы коллектива исследователей Физического института им. П.Н. Лебедева РАН, Института физики высоких давлений им. Л. Ф. Верещагина РАН и химического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова был синтезирован «железный» сверхпроводник GdFeAsO(F) с критической температурой 53К. Измерения спектров андреевского отражения в микроконтактах сверхпроводник – нормальный металл – сверхпроводник (S-N-S), образующихся на микросколе в образце такого сверхпроводника при температуре 4.2K, свидетельствуют о наличии двухщелевой сверхпроводимости.

В 2008 году был открыт новый класс высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) на основе FeAs. Открытие было совершенно непредвиденным событием и стимулировало интенсивные исследования этих материалов. Оно разрушило бытовавшее более 20 лет мнение, что высокотемпературная сверхпроводимость является исключительным свойством купратов.

Более того, сверхпроводящими оказались соединения железа – типичного атома, порождающего магнетизм, то есть явления, которое ранее рассматривалось как антагонист сверхпроводимости. К настоящему времени синтезированные ВТСП материалы на основе FeAs насчитывают как минимум шесть классов.

Наиболее высокими критическими температурами отличается класс «1111» REFeAsO(F) (где RE=La,Sm,Dy,Gd,Eu,Ce). В стехиометрическом составе, многокомпонентные ВТСП соединения, как правило, или не проявляют сверхпроводящих свойств, или обладают не очень высокой критической температурой. Однако, варьируя концентрацию атомов фтора x, замещающего атомы кислорода, или вводя недостаток атомов кислорода, можно значительно увеличить критическую температуру.

Наивысшее значение T_c = 54K получено при оптимизированном дефиците по кислороду x = 0.2 в SmFeAsO_1−x. Уже в 2009 году специалисты ФИАНа, ИФВД РАН и химического факультета МГУ синтезировали сверхпроводник GdFeAsO(F) практически с той же критической температурой 53К.

Эти соединения представляют огромный интерес для исследователей.

• Ведь существуют теоретические предположения, что сверхпроводимость в них вызвана магнитными флуктуациями.
• Другая их особенность заключается в комбинации магнитного упорядочения и сверхпроводящего спаривания в одном и том же материале.
• И наконец, третья особенность – не встречавшаяся ранее в природе симметрия параметра порядка.

В сверхпроводнике носители заряда (электроны или дырки) с противоположным направлением импульса объединяются в пары и конденсируются в энергетически более выгодное коллективное состояние так называемых куперовских пар. Согласно знаменитой теории нобелевского лауреата академика В.Л. Гинзбурга, коллективное сверхпроводящее состояние характеризуется параметром порядка. Коллективное состояние конденсата расположено по энергии ниже состояний обычных электронов или дырок (возбуждений) в данном материале на величину энергетической щели Δ (области значений энергий в энергетическом спектре кристалла, которыми не могут обладать электроны, фононы или другие квазичастицы).

Таким образом, чтобы разрушить сверхпроводимость, то есть разорвать пары, необходимо приложить энергию, не меньшую, чем энергия разрыва пар 2Δ. Например, для этого можно повысить температуру вплоть до критической температуры Tc, при которой щель исчезает до нуля.

В обычных низкотемпературных сверхпроводниках параметр порядка является изотропным, что в физике сверхпроводимости, по аналогии с атомной физикой, классифицируется как симметрия s-типа. Это означает, что энергетическая выгода образования пары не зависит от направления импульса электронов, входящих в состав куперовской пары. После открытия высокотемпературных сверхпроводников в 1986 году физики столкнулись с новым типом симметрии параметра порядка: оказалось, что в ВТСП материалах щель резко анизотропна и для некоторых направлений импульса обращается в ноль; по той же аналогии с атомной физикой этот тип симметрии был назван d-волновым. В настоящее время ключевыми исследуемыми вопросами для новых «железных» ВТСП материалов являются такие моменты, как механизм спаривания, симметрия параметра порядка, а также величина и анизотропия сверхпроводящих щелей в энергетическом спектре.

Рассказывает руководитель отдела высокотемпературной сверхпроводимости и сверхпроводниковых наноструктур ФИАН, доктор физико-математических наук Владимир Пудалов:

«Целый ряд экспериментальных данных указывает на то, что "железные» ВТСП материалы являются многозонными сверхпроводниками. Исследования методом ядерного магнитного резонанса однозначно показали, что в соединениях класса «1111» электроны в куперовской паре имеют противоположное направление спина, так что суммарный спин пары равен нулю. Симметрия же параметра порядка в таких соединениях остается неясной и требует экспериментального исследования. Многие исследователи предполагают существование иного типа симметрии: s-типа в каждом из двух конденсатов, но с отличающимися знаками, то есть s-± типа. Если это предположение оправдается, то мы будем иметь дело с не встречавшимся ранее в природе типом симметрии параметра порядка".

С механизмом спаривания тесно связана величина и структура сверхпроводящей щели Δ. Но этот параметр определяется почти исключительно в экспериментах по микроконтактной спектроскопии. Данные же микроконтактной спектроскопии на подобных материалах пока скудны и зачастую противоречивы. А для GdFeAsO(F) измерения щели до сих пор вообще не проводились.

Сотрудники физического факультета МГУ и ФИАНа провели измерения спектров андреевского отражения при температуре 4.2K в микроконтактах сверхпроводник-нормальный металл-сверхпроводник (S-N-S), образующихся на криогенном микросколе в образце GdFeAsO0.88F0.12.

Андреевское отражение – это процесс отражения электрона, падающего из нормального металла на границу со сверхпроводником, при котором электрон превращается в дырку., было названо по имени Александра Федоровича Андреева, теоретически предсказавшего такой тип отражения в 1964 году. Экспериментально полученные данные свидетельствуют о двухщелевой сверхпроводимости; возможно даже существование третьей щели в спектре сверхпроводника. Значения двух щелей составляют ΔL= (10.5±2) мэВ и ΔS = (2.3±0.4) мэВ. Оценка отношения 2ΔL/kTc = 4.8 (для Tc=53K) превышает стандартное значение 3.52 в теории БКШ для однощелевого сверхпроводника в пределе слабой связи, тогда как для малой щели отношение 2ΔS/kTc = 1.1 меньше стандартного БКШ значения.

Учитывая также нормальный знак изотопического эффекта для Fe, полученные значения 2ΔL,S/kTc указывают на то, что в этом сверхпроводнике в дырочных зонах, возможно, имеетcя сильная электрон-фононная связь, а значение 2ΔS/kTc для малой щели определяется наличием межзонной связи.