Физики из США смогли впервые напрямую зарегистрировать возникновение сверхпроводимости на границе раздела двух «обычных» фаз арсенида железа кальция CaFe₂As₂. Несмотря на то, что подобное явление уже удавалось пронаблюдать для других соединений, ученые утверждают, что именно в данном случае им удалось выделить «чистое» явление возникновения сверхпроводимости на границе раздела фаз и, таким образом, доказать одну из неподтвержденных моделей сверхпроводимости. Авторы планируют в дальнейшем применить свой метод для поиска новых, более совершенных и дешевых сверхпроводников. Работа опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America.

Сверхпроводимость — это явление падения сопротивления материала до величин, неотличимых от абсолютного нуля при температуре, ниже некоторой критической. С помощью сверхпроводников становится возможной передача электричества без потерь энергии на нагрев проводов, а другое явление, которое неразрывно связано со сверхпроводимостью — эффект Мейснера — может стать основой для конструирования поездов на магнитной подушке (маглевов), левитирующих ховербордов и др.

Магнит, левитирующий над сверхпроводящим диском из иттрий бариевого купрата YBa₂Cu₃O₇, охлажденного до минус 196°C жидким азотом. Wikimedia Commons

Основной проблемой для широкого применения сверхпроводников остаются низкие критические температуры, при которых проявляется этот эффект, из-за чего для эксплуатации сверхпроводящих материалов требуется дорогостоящее охлаждение. По мнению ученых,ключ к решению проблемы кроется в изучении новых механизмов сверхпроводимости испособов ее искусственного «создания», которые могут быть реализованы,например, на основе недавно открытого класса железо-содержащих сверхпроводников.

Арсенид железа кальция CaFe₂As₂ является родоначальником целого семейства сверхпроводников этого класса. Материалы на основе CaFe₂As₂, в которых часть ионов кальция была заменена редкоземельными элементами (La, Ce, Pr, Ne), обладают относительно высокой критической температурой, вплоть до 49 кельвин (около минус 224градусов Цельсия).

Однако вопрос о сверхпроводимости в чистом нелегированном CaFe₂As₂ долго оставался открытым. В одних работах нулевое сопротивление в этом соединении наблюдали только при приложении гидростатического давления (TС∼12  K при 5000 атмосфер). В других работах было показано, что явление наблюдается только в случае негидростатического (т.е. неравномерного)сжатия, а при атмосферном давлении или гидростатическом сжатии данное вещество сверхпроводникомне является. Результаты же экспериментов при атмосферном давлении показывали возникновение отдельных «зерен» сверхпроводимости внутри монокристаллического образца.

Фотография кристалла CaFe₂As₂. University of Connecticut / Seok-Woo Lee's Research Laboratory

Казалось, что ситуация начала проясняться, когда ученые обратили внимание на наличие структурных фазовых переходов в CaFe2As2 под давлением. Этот арсенид при небольшом одноосном сжатии испытывает фазовый переход в состояние снемного искаженной кристаллической структурой, который назвали «фазой T’». И возникновение сверхпроводимости какое-то время связывали именно с этой фазой. Однако из-за сложности постановки достаточно точных экспериментов под давлением, достоверно подтвердить,что именно T’-фаза ответственна за сверхпроводимость в CaFe₂As₂, до сих пор не удалось.

Авторы новой работы показали, что и это предположение не является единственно верным. Ученые обратили внимание на другие фазы арсенида CaFe₂As₂, которые можно получить с помощью отжига и последующего резкого или медленного охлаждения. Научившись«преобразовывать» одну фазу в другую, физики смогли показать, что сверхпроводимость в CaFe2As2 можно получить на границе раздела нескольких разных фаз, которые в чистом виде сверхпроводимости не проявляют.

Так называемую PI-фазу можно получить, если резко охладить CaFe₂As₂ с 850°С до комнатной температуры — например, если бросить раскаленные кристаллы в ледяную воду. Полученная PI-фаза не обладала магнитным порядком и «коллапсировала» в другую фазу (cT-фазу, или collapsed tetragonal, с параметром ячейки с меньше на 10%, чем в исходной фазе) при низких температурах порядка 100 кельвин (минус 173°С).

PII-фазу получали, выключая разогретую до 850°С печь с образцами и ожидая, пока она медленно охладится до комнатной температуры. Полученные кристаллы обладали тетрагональной симметрией с немного отличающимися от PI параметрами решетки. При температуре порядка168 кельвинах (минус 105 градусов Цельсия) новая фаза испытывает фазовый переход, изменяя кристаллическую структуру на орторомбическую (O-фаза). При этом преобразуется не только кристаллическая структура,но и магнитная: орторомбическая фаза обладает дальним антиферромагнитным порядком.

Ученые проверили, что в чистом виде оба образца не проявляют сверхпроводящих свойств вплоть до температур в 2 кельвина (минус 271°С). Затем они воспользовались результатами предыдущих работ по исследованию структурных фазовых переходов в CaFe₂As₂. Прикладывая давление в 0,34 гигапаскаль к образцу PII-фазы, его можно постепенно перевести в PI фазу. Аналогично, PI-фазу можно перевести в PII низкотемпературным отжигом при 350°С.

Диаграмма существования различных фаз CaFe2As2 в зависимости от времени низкотемпературного отжига при 350 градусах Цельсия. Розовым обозначены границы перехода PII фазы из тетрагональной в орторомбическую О-фазу. Синим – аналогично для перехода из PI в «коллапсированную тетрагональную фазу» cT. Красным отмечена область существования сверхпроводящей фазы, нижняя граница – согласно магнитным измерениям, верхняя – согласно измерениям электрического сопротивления. Kui Zhao et al. / PNAS, 2016

Авторы новой работы воспользовались низкотемпературным отжигом и показали, что изначально обладающий сопротивлением образец PI фазы через некоторое время становится сверхпроводящим, с критической температурой порядка 25 кельвин (минус 248 градусов Цельсия). Пик критической температуры достигается между 4 — 16 часами отжига, после 22 часов сверхпроводимость исчезает и еще через несколько часов образец полностью переходит в PII-фазу. Таким образом, ученые показали, что сверхпроводимость в CaFe₂As₂ может существовать «настыке» двух несверхпроводящих фаз.

По мере отжига ученые извлекали некоторые кристаллы из печи и проводили исследования их кристаллической структуры методами рентгеновской дифракции.В результате измерений, физикам удалось доказать, что сверхпроводящие области располагаются на границе между PI и PII фазами. Сам «промежуточный» образец при этом состоит из чередующихся слоев этих двух кристаллических структур, поэтому объем сверхпроводящей «фазы» достигал максимума в той области, где чередований было больше, и уменьшался, когда какая-то из фаз PI или PII начинала преобладать в образце.

Авторы считают, что полученные данные являются первым прямым экспериментальным доказательством теории о возникновении сверхпроводимости на границе раздела фаз, которая была предложена еще в 1973 году. Разработкой этой теории занимался, в частности, один из Нобелевских лауреатов по физике 1972 года Джон Бардин — автор единственной на данный момент признанной теории сверхпроводимости (Бардина-Купера-Шриффера-теория).

В разные годы за вклад в исследование сверхпроводимости Нобелевские премии были вручены первооткрывателю явления Хайке Камерлинг-Оннесу (1913), создателю феноменологической теории Льву Ландау(1962), Брайану Д. Джозефсону (1973), открывшему уникальный эффект в сверхпроводниках,названный в его честь, Георгу Беднорцу и Алексу Мюллеру за открытие высокотемпературных сверхпроводников (1987), а также Алексею Абрикосову, Виталию Гинзбургу и Энтони Легетту за теоретические исследования (2003).

Автор: Екатерина Митрофанова