Висмутаты неожиданно оказались "традиционными" сверхпроводниками

Китайские физики доказали, что висмутаты являются «традиционными» сверхпроводниками, которые описываются теорией БКШ. Для этого ученые использовали метод ARPES и показали, что электроны внутри образца взаимодействуют с фононами сильнее, чем предполагалось ранее. Таким образом ученые разрешили загадку необычно высокой критической температуры висмутатов, имеющей почти сорокалетнюю давность. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.

Как правило, физики объясняют сверхпроводимость с помощью механизма БКШ (Бардина — Купера — Шриффера), в котором электроны объединяются в куперовские пары за счет обмена фононами, а затем образуют конденсат Бозе — Эйнштейна. В таком конденсате частицы находятся в одном и том же квантовом состоянии и ведут себя согласованно — в результате заряды перестают терять энергию при движении, и сопротивление проводника падает до нуля. Тем не менее, механизм БКШ хорошо работает только для сверхпроводников со сравнительно низкой критической температурой, не превышающей 30 кельвинов. В то же время, существуют материалы, которые переходят в сверхпроводящее состояние при гораздо боле высокой температуре — выше температуры кипения жидкого азота, примерно равной 77 кельвинов. Чтобы объяснить необычные свойства таких высокотемпературных сверхпроводников, ученые разрабатывают «нетрадиционные» (unconventional) механизмы сверхпроводимости. К сожалению, в настоящее время среди физиков не существует единого мнения, какие из этих механизмов действительно реализуются на практике, а какие являются просто удобными моделями. Подробно про все эти теории, включая теорию БКШ, рассказывает материал «Ниже критической температуры».

Первым открытым семейством химических соединений, которые переходят в сверхпроводящее состояние при неожиданно высокой температуре, были висмутаты. Висмутаты — это соединения, которые содержат ион BiO3−. В частности, соединение Ba1−xKxBiO3, которое получается при допировании изолятора BaBiO3 атомами калия, становится сверхпроводником при температуре около 32 кельвинов, если установить коэффициент x ≈ 0,35. Впервые этот факт заметила в 1975 году группа ученых из компании «Дюпон» («E.I. du Pont de Nemours and Company»). Такая критическая температура во много раз больше критической температуры других сверхпроводников, которые работают по механизму БКШ, а также имеют похожую плотность электронных состояний и энергию Ферми. Поэтому ученые предположили, что сверхпроводимость Ba1−xKxBiO3 обусловлена каким-то другим механизмом. Тем не менее, в дальнейшем выяснилось, что висмутаты не похожи не другие «нетрадиционные» сверхпроводники, такие как купраты или пниктиды железа. В то время как в «нетрадиционных» проводниках переход в сверхпроводящее состояние сопровождается магнитным упорядочиванием, в висмутатах подобные эффекты не возникают. Таким образом, природа сверхпроводимости висмутатов до последнего времени оставалась неизвестной, хотя с момента ее открытия прошло уже более сорока лет.

Группа ученых под руководством Дунлай Фэна (Donglai Feng), кажется, наконец выяснила, почему свойства висмутатов отличаются от предсказаний БКШ и «нетрадиционных» теорий. Для этого исследователи использовали фотоэлектронную спектроскопию с угловым разрешением (angle-resolved photoemission spectroscopy, ARPES). В этом методе образец облучается пучком фотонов высокой энергии — ультрафиолетовых или рентгеновских лучей, — которые «выбивают» электроны из его поверхности. Затем детекторы измеряют энергию и направление выбитых электронов, и на основании полученных данных ученые восстанавливают зонную структуру и закон дисперсии электронов внутри материала. Закон дисперсии — это соотношение, которое связывает импульс частицы с ее энергией. Ранее применить метод ARPES для определения зонной структуры висмутатов не удавалось, потому что ученые не умели получать достаточно большие, плоские и чистые образцы.

На этот раз физики получили образцы висмутата Ba0,51K0,49BiO3 (x = 0,49), критическая температура которого примерно равна 22 кельвина. Химический состав синтезированных соединений ученые определили с помощью рентгеноспектрального микроанализа (electron probe microanalysis, EPMA), а его кристаллическую структуру — с помощью брэгговской спектроскопии. Затем ученые нашли на образе плоские области диаметром порядка 50–100 микрометров, и применили на них метод ARPES. Ширина пучка составляла 50×100 микрометров, а энергия фотонов менялась в диапазоне от 57 до 132 электронвольт с разрешением порядка 0,02 электронвольта (что отвечает длине волны порядка 1–3 нанометров). В ходе опыта образец был помещен в вакуум (давление порядка 5×10−14 атмосфер).

В результате исследователи обнаружили, что ширина энергетического спектра электронов в образце примерно на треть больше теоретических значений, численно рассчитанных с помощью теории функционала плотности (Density Feld Theory, DFT) или обобщенного градиентного приближения (Generalized Gradient Approximation, GGA). Это указывает на то, что в действительности константа связи λ между фононами и электронами в висмутате больше, чем обычно принято считать. В самом деле, из эксперимента следует, что λ ≈ 1,3±0,2, тогда как численные расчеты приводят к величине λ ≈ 0,34. Физики считают, такое занижение происходит из-за того, что в обычных условиях висмутаты являются изоляторами — следовательно, электрические заряды в них экранируются плохо, и дальность кулоновского взаимодействия между частицами гораздо выше, чем в обычных проводниках.

Используя правильное значение, определенное из эксперимента, ученые пересчитали критическую температуру висмутата в рамках теории БКШ и получили значение Tc ≈ 22 кельвина, которое хорошо согласуется с реальностью. Так же хорошо согласуется с предсказаниями теории БКШ измеренная ширина щели в энергетическом спектре электронов, которая при нулевой температуре примерно равна 2Δ/kT ≈ 3,51±0,05. Таким образом, в действительности висмутаты являются «традиционными» проводниками, хотя их критическая температура и кажется завышенной из-за недооценки дальних кулоновских взаимодействий. По словам ученых, их работа поможет лучше разобраться в природе сверхпроводимости и, возможно, поможет найти новые высокотемпературные сверхпроводники.

В конце прошлого месяца сразу две группы ученых экспериментально подтвердили, что гидрид лантана LaH10 переходит в сверхпроводящее состояние при температурах, близких к комнатной: одна из групп зафиксировала такой переход при температуре около 215 кельвинов (−56°C), вторая — при температуре около 260 кельвинов (-13°C). До этого рекорд высокотемпературной сверхпроводимости принадлежал сероводороду, который становился сверхпроводником при температуре 203 кельвина (-70°C). Все три результата подтверждают теорию Мигдала-Элиашберга, которая предсказывает для некоторых соединений (преимущественно соединений водорода) очень высокие критические температуры. К сожалению, все такие соединения могут образоваться только при сверхвысоких давлениях порядка двух миллионов атмосфер, а значит, использовать их на практике в ближайшем будущем не получится.