Новая теория объяснила сверхпроводимость выше абсолютного нуля

Российский физик из Института прикладной математики им. М. В. Келдыша РАН представил теорию, которая рассматривает симметричные биполяроны как основу высокотемпературной сверхпроводимости. Предложенная теория хорошо объясняет последние эксперименты, в которых сверхпроводимость почти комнатной температуры была достигнута в гидриде лантана LaH10 при сверхвысоком давлении. Статья ученого опубликована в журнале Physica C: Superconductivity and its Applications.

Сверхпроводимость предполагает полное отсутствие электрического сопротивления в материале, когда его охлаждают ниже критической температуры. В 1911 году голландский физик Хейке Камерлинг-Оннес впервые обнаружил, что при понижении температуры ртути до -270 °С ее сопротивление резко падает — в 10 000 раз. Если выяснить, как достичь этого при более высоких температурах, это революционно повлияет на технологии. Сверхпроводимость при более высоких температурах позволит создать мощные магниты, источники энергии, аккумуляторы, летающие поезда, суперкомпьютеры. Применять ее можно практически везде. Неудивительно, что очень много ученых по всему миру занимается этой темой.

Первое теоретическое объяснение на микроскопическом уровне сверхпроводимость получила в 1957 году в работе американских физиков Бардина, Купера и Шриффера. Центральным элементом их теории, названной «теория БКШ», являются так называемые куперовские пары электронов. В 1972 году создателей удостоили Нобелевской премии по физике. Но теория БКШ не объясняет сверхпроводимость выше абсолютного нуля (-273 °С).

Высокотемпературная сверхпроводимость у новых материалов обнаруживается почти наугад, поскольку теории, которая объясняла бы механизм, нет. Существует множество подходов к ее созданию. В новой работе Виктор Лахно предлагает взять за основу биполяроны.

Полярон — квазичастица, состоящая из электронов и возмущений (фононов), которые он производит, пролетая сквозь кристаллическую решетку. В 1994 году физики показали, что поляроны могут образовывать пары за счет электрон-фононного взаимодействия, как и в БКШ. Это взаимодействие настолько сильное, что две квазичастицы оказываются размером всего с атомную орбиталь и тогда уже называются биполяронами малого радиуса. Беда данной теории в том, что биполяроны малого радиуса обладают очень большой массой, сравнимой с массой атома. Их массу определяет поле, сопровождающее их при движении. А именно от массы зависит температура сверхпроводящего перехода.

Физик из Института прикладной математики РАН построил новую транляционно-инвариантную (ТИ) биполяронную теорию высокотемпературной сверхпроводимости. Радикальное отличие его теории состоит в том, что в формулу для определения температуры входит не биполяронная масса, а обычная эффективная масса зонного электрона, которая может быть как больше, так и меньше массы свободного электрона в вакууме и более чем в тысячу раз меньше массы атома. Зонная масса меняется, если кристаллическую решетку, в которой бежит электрон, сдавливать. Если уменьшается межатомное расстояние, то и масса уменьшается. Как следствие, температура перехода может во много раз превосходить соответствующую температуру в обычных биполяронных теориях.

«Я сделал акцент на том, что электрон — это волна. Если это волна, значит, нет никакого преимущественного места в кристалле, в котором бы он локализовался. Он везде существует с равной вероятностью. На основе новой теории биполярона можно строить новую теорию сверхпроводимости. Она объединяет все лучшие черты современных концепций», — говорит автор исследования Виктор Лахно, доктор физико-математических наук, научный руководитель филиала ИПМ РАН.

Расчеты, проведенные с помощью этой теории, подтверждают последние эксперименты, в которых образец становился сверхпроводником при более высокой температуре, когда на него давили алмазными наковальнями с силой в полтора миллиона атмосфер.

«В случае слабых связей это теория БКШ, а в случае сильных связей — новая биполяронная теория. Она приводит к бозе-конденсации, к формулам Эйнштейна. Только туда входит не поляронная масса, а легкая масса двух электронов, вот этого самого трансляционно-инвариантного биполярона», — подводит итог Виктор Лахно.