10.11.2016

Физик указал путь к «комнатной» сверхпроводимости

Сделанные российским физиком расчеты говорят, что сверхпроводимость при комнатной температуре возможна, и искать ее следует в «длинных страйпах» – локальных одномерных деформациях кристаллической решетки. Об этом сообщает пресс-релиз Института математических проблем биологии РАН.

Основная на данный момент теория сверхпроводников – теория Бардина – Купера – Шриффера, известная как теория БКШ, была сформулирована к началу 1970-х. Она предусматривает невозможность возникновения сверхпроводимости при температуре выше нескольких кельвинов (около -270°C). Однако в последующие десятилетия физикам-экспериментаторам удалось добиться эффекта сверхпроводимости и при значительно более высоких температурах. Уже в 1986 году Карл Александр Мюллер и Георг Беднорц нашли первое соединение из класса высокотемпературных сверхпроводящих купратов La_2-xBa_xCuO₄ (при -243°C). А в 2015 году ученые показали, что сероводород становится сверхпроводящим при температуре 203 кельвина (-70,15°C), правда, для это нужно давление в 150 гигапаскалей (около 1,5 млн. атмосфер). Подробнее о борьбе ученых за сверхпроводимость при комнатной температуре можно прочитать в нашем специальном очерке.

Эти эксперименты вызвали множество вариантов новых объяснений механизма сверхпроводимости. На данный момент доктором физико-математических наук Виктором Лахно, руководителем лаборатории квантово-механических систем Института математических проблем биологии РАН рассчитана возможность поддержки сверхпроводимости при комнатной температуре в страйпах. С помощью современных микроскопов можно увидеть, что переходу в сверхпроводящее состояние в кристаллической решетке вещества сопутствует образование страйпов. Страйпы – это локальные одномерные деформации решетки. Они короткие – несколько нанометров – и сверхпроводящие. «Согласно полученным расчетам, в страйпах возможно существование сверхпроводящего бозе-конденсата», – прокомментировал профессор Виктор Лахно. Результаты в корне отличаются от того, что предписывает теория БКШ.

Конденсат Бозе – Эйнштейна – это пятое агрегатное состояние материи, которое было предсказано Альбертом Эйнштейном в 1925 году на основе работ индийского физика Бозе. Сам конденсат был получен через 70 лет, в 1995 году Корнеллом и Виманом. Ученые использовали газ из атомов рубидия, охлажденный до практически абсолютного нуля (1,7×10^-7 кельвинов). Бозе-конденсат характеризуется тем, что все частицы движутся согласованно. Они формируют одну квантово-механическую волну и ведут себя как одна гигантская частица. Все они одновременно находятся в одном и том же месте, и каждая из них «размазана» по всей области пространства. Лахно математически доказал, что квантовый бозе-газ из трансляционно-инвариантных биполяронов в одномерном проводнике может образовывать бозе-конденсат.

Полярон – квазичастица, состоящая из электронов и возмущений, которые он производит, пролетая сквозь кристаллическую решетку. Такие возмущения называют фононами. Ввел понятие полярона советский физик Соломон Пекар в 1946 году, в дальнейшем теория поляронов получила важное развитие в работах Александра Тулуба, нашедшего новое решение задачи о поляроне в случае сильного взаимодействия электрона с решеткой. Биполярон это два полярона, связанных между собой фононным взаимодействием. Виктору Лахно удалось показать, что биполярон может обладать свойством трансляционной инвариантности, то есть представлять собой плоскую волну, бегущую в кристаллической решетке. Ученый теоретически доказал, что трансляционно-инвариантные биполяроны могут создавать устойчивый бозе-конденсат в страйпах даже при комнатной температуре. А значит сверхпроводимость при этих температурах возможна.

Ученый объясняет: «Ранее считалось, что сверхпроводимость возможна только в коротких страйпах, а в длинных она исчезает, поэтому вопрос о создании искусственных страйпов большой длины никогда не возникал и не ставился. Но результаты данного исследования, напротив, говорят, что высокотемпературный сверхпроводник должен включать в себя длинные страйпы, которые могут быть созданы с использованием методов современной нанотехнологии». Теперь дело за практиками – нужно создать материалы с длинными страйпами. Сейчас на современном уровне нанотехнологий это вполне реально.

Работа Виктора Лахно опубликована в журнале SpringerPlus.

Источники:

1. polit.ru