Полная теория только начинает создаваться

Исследование сверхпроводников российскими учеными

ТЕКСТ: Александра Борисова

ФОТО: devicedaily.com

Об опубликованных в журнале Nature Physics исследованиях оксида индия – вещества, которое обладает сверхпроводимостью при низких температурах, а при высоких температурах имеет высокое сопротивление, – «Газете.Ru» рассказал один из авторов работы, заместитель директора Института теоретической физики имени Л. Д. Ландау, д. ф.-м. н. Михаил Фейгельман.

Сверхпроводники – это материалы, которые в перспективе смогут полностью изменить жизнь людей, так как они теоретически позволяют передавать электрический ток на любые расстояния без каких-либо потерь. Все материалы по отношению к способности проводить электрический ток делятся на четыре класса – диэлектрики, полупроводники, металлы и сверхпроводники. Диэлектрики (или изоляторы) почти не проводят ток, если не приложить к ним большое напряжение. Однако есть вещества, которые переходят из одного состояния в другое при небольшом изменении состава или при ином слабом воздействии. Журнал Nature Physics публикует статью, посвященную исследованию такого необычного поведения материала.

При слабом изменении состава аморфного оксида индия он переходит непосредственно из состояния сверхпроводника в состояние изолятора.

Один из авторов работы, заместитель директора Института теоретической физики имени Л. Д. Ландау (Черноголовка), доктор физико-математических наук, профессор Михаил Фейгельман рассказал «Газете.Ru» об итогах работы и ходе исследований.

– Почему возникла идея изучать именно оксид индия?
– Оксид индия – довольно простое вещество. Он хорош тем, что в нем можно легко и в широких пределах менять концентрацию электронов, которые проводят ток, а также степень неупорядоченности. Эту экспериментальную работу отчасти «спровоцировали» в качестве теоретиков Лев Иоффе и я. Мы также многократно обсуждали с коллегами-экспериментаторами (французской группой, которая проводила измерения, и израильской группой, которая готовила образцы) получавшиеся у них результаты и развили теорию, отчасти объяснившую наблюдаемые результаты.

Отчасти потому, что полная теория этих явлений только начинает создаваться.

Сверхпроводимость была открыта и изначально изучалась на регулярных веществах – кристаллах, структура которых упорядочена и периодична, то есть определенный ее фрагмент – «элементарная ячейка» – постоянно повторяется. Первым сверхпроводником стала ртуть, охлажденная в жидком гелии (1911 год – как раз 100 лет назад), затем последовали другие «хорошие» материалы, в которых электроны распространяются как волны. При стандартных условиях эти вещества, как правило, являются металлами.

Однако есть и другие сверхпроводники – неупорядоченные аморфные сплавы, которые также содержат достаточное количество подвижных электронов.

К ним относится оксид индия. У него и других подобных веществ сопротивление при высоких температурах очень большое, а при низких (примерно 2–3 градуса Кельвина, то есть около –270 по Цельсию) – сопротивление пропадает. Именно такое уникальное поведение демонстрирует оксид индия: состояние обычного металла у него вообще отсутствует. Целью нашей работы было исследовать его поведение в области перехода из сверхпроводника в изолятор, но на сверхпроводящей стороне этого квантового фазового перехода.

– Каково поведение оксида индия вблизи точки фазового перехода, согласно вашим данным?
– Этот сверхпроводник перед тем, как стать диэлектриком, становится очень неоднородным. Чтобы оценить степень неоднородности, была использована локальная методика определения свойств вещества. Дело в том, что при возникновении сверхпроводящего состояния свободные электроны в материале спариваются. С помощью сканирующего туннельного микроскопа можно «увидеть» последствия этого процесса объединения электронов в пары. К поверхности изучаемого образца очень близко подносят острую иголку, между иголкой и образцом подают напряжение. С нее на поверхность могут «стекать» электроны, а измерения зависимости получающегося тока от напряжения показывают, насколько электроны спарены и, соответственно, насколько материал способен проявлять сверхпроводящие свойства. Исследуя аморфный оксид индия вблизи точки фазового перехода, наши французские коллеги обнаружили, что спаренные электроны распределены по объему очень неравномерно. Материал как бы пронизан нерегулярной сеткой.

Нити сетки соответствуют сверхпроводящей части, пустоты между ними – диэлектрической.

– Как объяснить такое поведение?
– Пока созданы лишь самые основы необходимой теории, и объяснить популярно, в чем она заключается, я не берусь. Наша основная на сегодня теоретическая работа на эту тему, опубликованная год назад в журнале Annals of Physics, содержит 90 страниц; это показывает, что степень понимания предмета даже и самими авторами еще недостаточна. Известен набор веществ, проявляющих сходное поведение. Кроме оксида индия к ним относится нитрид титана, а также алмаз, допированный небольшим количеством бора. Но пока нет хорошего понимания, как это происходит. Например, многие из свойств, обнаруженных в оксиде индия, сильно напоминают свойства одного из классов высокотемпературных сверхпроводников. Эти аналогии были обнаружены несколько лет назад, однако причина этой схожести поведения пока неясна.

– Каково практическое применение сверхпроводников этого типа?
– Наша работа чисто исследовательская, однако ряд групп в Европе и Америке работает над применением сильно неупорядоченных сверхпроводников в наноэлектронике. Я надеюсь больше об этом узнать на специальной конференции в Голландии будущим летом, в организации которой принимаю непосредственное участие.

– Как возникло ваше сотрудничество с французскими и израильскими коллегами?
– С 1997 года мы совместно с Валерием Рязановым (завлаборатории сверхпроводимости Института физики твердого тела РАН) раз в три года устраиваем в Черноголовке международную конференцию по нанофизике. Во время такой конференции 2006 года и встретились наши соавторы – Клод Шапелье из Гренобля и Дан Шахар из Израиля. Через некоторое время начался эксперимент, для которого израильтяне поставляли образцы, а французы непосредственно проводили измерения. Уже в процессе работы над публикацией они обратились к нам с Львом Иоффе с просьбой помочь им с интерпретацией данных (поскольку то, что они наблюдали, было весьма похоже на наши теоретические результаты, полученные чуть ранее).

– Какова сейчас ситуация в вашем институте, испытываете ли вы проблемы с материальным обеспечением?
– У нас проблема не столько с материальным обеспечением, сколько с окружающей средой – в широком смысле. В институте есть толковая молодежь, но приток ее замедлился именно в самые последние годы (в середине 90-х и в начале 2000-х – как бы это ни было кому-то странно – с этим было лучше).

Сейчас больше денег, но и гораздо больше разнообразной лжи в стране вообще и в научной среде в частности – это бедствие уже совсем захлестывает.

Талантливые молодые люди, которые хотят заниматься наукой, это чувствуют, и они стали куда активнее уезжать за границу при первой же возможности. По той же причине стал заметно падать средний уровень подготовки студентов, даже и такого элитного вуза, как МФТИ, откуда к нам приходит основная часть студентов.