Физики МГУ подтвердили роль спиновых флуктуаций в сверхпроводимости

Кристалл селенида железа под микроскопом. Фото предоставлено Дмитрием Чареевым

Международная команда ученых, в которую вошли сотрудники МГУ, экспериментально подтвердила ранее высказанную гипотезу о ключевой роли спиновых флуктуаций (дрожания спинов электронной подсистемы) в формировании сверхпроводящего состояния. Работа позволит создавать новые сверхпроводники и совершенствовать уже имеющиеся.

Исследование специалистов опубликовано в журнале Nature Materials. Подробности приводит пресс-служба МГУ.

В 1957 году американские физики Бардин, Купер и Шриффер объяснили свойство некоторых материалов полностью терять электросопротивление при низких температурах. В созданной ими теории БКШ (по первым буквам их фамилий) свободные электроны, взаимодействуя с кристаллической решеткой, начинали притягиваться друг к другу и связываться в так называемые куперовские пары, способные к движению по кристаллу без рассеяния и, соответственно, без потери энергии. Агентом притяжения здесь были фононы (квазичастицы, представляющие собой волновые колебания решетки и распространяющиеся наподобие реальных частиц), которыми обменивались электроны.

«Теория БКШ предопределила прогресс в развитии сверхпроводимости на многие годы, но на сегодня учета только фононного механизма спаривания недостаточно, — считает один из авторов исследования, профессор МГУ Александр Васильев. — Исследователи нашли множество других механизмов образования куперовских пар: магнонные, экситонные и так далее. Работа важна тем, что она заметно упрощает сложную задачу изучения механизмов, указывая, с чего в железных сверхпроводниках начинается сотворение сверхпроводимости».

Ученые решили экспериментально проверить оспариваемую многими гипотезу, по которой все начинается со спиновых флуктуаций. Такие возбуждения искажают решетку, что заставляет спины дрожать еще более согласованно, выстраиваясь в цепочки (страйпы) вдоль какого-то из направлений в кристалле. Это вызывает самоорганизованное электронное состояние — нематичность, которая нарушает вращательную симметрию решетки. В подобном повсеместном дрожании спинов, решетки и распределения электронов в пространстве рождаются куперовские пары, способные мчаться сквозь кристаллическую решетку.

В качестве исследуемого материала был выбран селенид железа — самое простое, всего лишь двухкомпонентное, сверхпроводящее соединение, с очень простой кристаллической структурой, все изменения в которой легко интерпретировать.

Выращиванием монокристаллов селенида железа занимались российские участники эксперимента. Эти монокристаллы были выращены и охарактеризованы на кафедре физики низких температур и сверхпроводимости физического факультета МГУ. По словам профессора Васильева, основная заслуга в синтезе качественных монокристаллов принадлежит выпускнику МГУ Дмитрию Чарееву.

Сами эксперименты проводились в лабораториях США и Франции, где монокристаллы исследовались методами упругого и неупругого рассеяния нейтронов. Результаты этих экспериментов подтвердили верность ранее выдвинутой гипотезы. Одним из ее авторов является выпускник МГУ Андрей Чубуков, ныне профессор теоретической физики университета Миннесоты.

Помимо создания новых сверхпроводников в будущем работа ученых может поспособствовать возможности их работы в комнатных условиях, что позволит создавать сверхпроводящие компьютеры и прочие гаджеты.
Теги:

Читать еще на Чердаке: