Новости науки 12.03.02. В поиске новых высокотемпературных сверхпроводников.
Открытие нового сверхпроводника MgB2 в начале прошлого
года вызвало очередной всплеск интереса к сверхпроводимости и побудило
ученых усилить поиски новых сверхпроводников. Американские теоретики
предсказывают, что дырочное легирование борокарбида лития LiBC позволит
получить сверхпроводник с критической температурой порядка 100 К.
Чем же так примечателен MgB2, сверхпроводник с температурой
перехода в сверхпроводящее состояние 39 К, на фоне других, более
высокотемпературных, сверхпроводников (ВТСП)? Относительно простой
(по сравнению с более многокомпонентными ВТСП-керамиками) MgB2
открывает собой новый класс сверхпроводящих материалов (полезно
вспомнить, что первый обнаруженный ВТСП имел критическую температуру
еще меньше, чем MgB2).
Рис.1. Кристаллическая структура LiBC.
В отличие от ВТСП, относительно механизма сверхпроводимости в
которых до сих пор нет согласия, для MgB2 почти сразу
были получены данные, свидетельствующие в пользу традиционного (фононного)
механизма спаривания электронов. Об этом свидетельствует так называемый
изотопический эффект - зависимость критической температуры от изотопического
состава материала, т.е. от массы образующих кристаллическую решетку
частиц. Микроскопическая теория сверхпроводимости, созданная Бардином,
Купером и Шриффером в середине 1950-х и хорошо описывающая традиционные
низкотемпературные сверхпроводники, объясняет явление сверхпроводимости
образованием связанных состояний электронов с противоположными импульсами
и антипараллельными спинами (куперовских пар); притяжение между
электронами возникает вследствие взаимодействия электронов с кристаллической
решеткой (и чем сильнее электрон-фононное взаимодейстие, тем выше
критическая температура)."Куперовская пара" является уже не фермионом,
а бозоном, в результате электронная жидкость ведет себя как сверхтекучая
жидкость, что и объясняет исчезновение электрического сопротивления.
MgB2 продемонстрировал высокую токонесущую способность , что делает его перспективным
материалом для применения в сверхпроводящих магнитных системах и
сверхпроводниковой электронике. Однако очень существенным недостатком
MgB2 с точки зрения практического применения является
то, что температура перехода в сверхпроводящее состояние ниже температуры
кипения жидкого азота, что не позволяет использовать дешевый жидкий
азот в качестве криоагента. Если бы был найден сверхпроводник, обладающий
схожими с MgB2 свойствами с тем отличием, что его критическая
температура превышала бы 78 К, он мог бы составить серьезную конкуренцию
используемым ныне иттриевым ВТСП (о промышленном использовании YBa2Cu3O7-x
мы уже неоднократно писали, например, 26.12.01 и 31.01.02 ). Поэтому ученые во всем мире ведут активные
теоретические и экспериментальные исследования схожих с MgB2
веществ.
Рис.2. Зависимость критической температуры Tc от
концентрации дырок (без учета зависимости константы электрон-фононного
взаимодействия от концентрации дырок), здесь x = 0 соответствует
нелегированному кристаллу LiBC (т.е. x = 1 для обозначений в тексте).
Теоретики из Калифорнийского университета предсказывают, что при
дырочном легировании борокарбида лития LiBC могут быть достигнуты
критические температуры порядка 100 K [1]. Слоистый материал LiBC
по своей кристаллической структуре (вместо атома магния - литий,
вместо атомов бора - бор и углерод - рис.1) напоминает MgB2.
Дырочное легирование может быть произведено путем уменьшения концентрации
лития, т.е. превращения LiBC в LixBC. Для LixBC
х может быть доведен почти до 0.3 без изменения кристаллической
структуры. Американские исследователи провели расчеты зонной структуры
и оценили константу электрон- фононного взаимодействия для LixBC
при различных значениях x. Как показывают расчеты, для Li0.5BC
константа электрон-фононного взаимодейстия должна быть почти в два
раза больше, чем для MgB2, а критическая температура
должна достигать 100 К (рис.2).
1. H.Rosner, A.Kitaigorodsky, and W.E.Pickett. Phys.Rev.Lett.,
v.88, 127001 (2002).
|