5.5. ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНАЯ СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ (ВТСП)

Первые сверхпроводники сохраняли свои уникальные свойства при нагревании вплоть до температур порядка 20K (двадцать градусов выше абсолютного нуля). Долгое время это считалось температурным пределом сверхпроводимости. Однако в 1986г. сотрудники швейцарской лаборатории компьютерной фирмы IBM Георг Беднорц (Georg Bednorz, р.1950) и Александр Мюллер (Alexander M?ller, р.1927) открыли сплав, сверхпроводящие свойства которого сохраняются и при 30K. Сегодня же науке известны материалы, остающиеся сверхпроводниками даже при 160К (то есть чуть ниже –100C). При этом общепринятой теории, которая объясняла бы этот класс высокотемпературной сверхпроводимости, до сих пор не создано, но совершенно ясно, что в рамках теории БКШ ее объяснить невозможно.

Рассмотренный в рамках теории БКШ механизм перехода в сверхпроводящее состояние основан на межэлектронном взаимодействии через тепловые колебания кристаллической решетки. Как показывают оценки, для такого механизма сверхпроводимости, называемого фононным, максимальная величина критической температуры не может превышать 40К.

Для реализации высокотемпературной сверхпроводимости (с > 90К) необходимо было искать другой механизм корреляции электронов. Один из возможных подходов описан американским физиком Литтлом. Он предположил, что в органических веществах особого строения возможна сверхпроводимость при комнатных температурах. Основная идея заключалась в том, чтобы получить своеобразную полимерную нитку с регулярно расположенными электронными фрагментами. Корреляция электронов, движущихся вдоль цепочки, осуществляется за счет поляризации этих фрагментов, а не кристаллической решетки. Поскольку масса электрона на несколько порядков меньше массы любого иона, поляризация электронных фрагментов может быть более сильной, а критическая температура – более высокой, чем при фоновом механизме.

В основе теоретической модели высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП), разработанной академиком В.Л. Гинзбургом, лежит так называемый экситонный механизм взаимодействия электронов. Дело в том, что в электронной системе существуют особые волны – экситоны. Подобно фононам, описывающим тепловые колебания решетки, экситоны являются квазичастицами, перемещающимися по кристаллу, не связанными с переносом электрического заряда и массы. Модельный образец такого сверхпроводника представляет собой металлическую пленку в слоях диэлектрика или полупроводника. Электроны проводимости, движущиеся в металле, отталкивают электроны диэлектрика, то есть окружают себя облаком избыточного положительного заряда, который и приводит к образованию электронной пары. Такой механизм корреляции электронов предсказывает весьма высокие значения критической температуры ().

Сама идея ВТСП в органических соединениях была выдвинута еще в 1950г. Лондоном и лишь через 14 лет Литтл и Гинзбург, независимо друг от друга, теоретически доказали возможность ВТСП в неметаллических системах. Работой Беднорца и Мюллера начался следующий этап развития ВТСП. Число публикаций по проблеме ВТСП, появившихся после 1986г., существенно превышает полное число вообще всех предшествующих публикаций по сверхпроводимости, начиная с 1911г. Более того, после открытия сверхпроводимости в купратных соединениях с иттрием (YBCO) с  ~ 90К и ртутью с  ~ 135–160К проблема ВТСП из чисто научной превратилась в практически значимую, благодаря возможности крайне важных технических приложений. Это обстоятельство и стало, в основном, причиной мощного потока финансов и новых исследователей в эту область.

Основными достижениями первого этапа можно считать следующие результаты:

Новый этап развития проблемы ВТСП, помимо самого факта экспериментального обнаружения соответствующих систем и уже упоминавшейся масштабности исследований, имел ряд других отличий, в том числе и в теоретических подходах. Как уже отмечалось, довольно давно стало ясно, что высокие значения  могут иметь только системы с сильным взаимодействием. На первом этапе достаточного внимания изучению таких ВТСП-систем не уделялось. Основная же часть исследований второго этапа связана именно с изучением эффектов сильного обменно-корреляционного взаимодействия и их проявлений как в нормальном, так и сверхпроводящем состоянии.

Большая часть теоретических работ связана с моделью Хаббарда, в которой основную роль играет сильное кулоновское отталкивание электронов на одном центре. Именно в рамках модели Хаббарда были предложены две наиболее радикальные идеи о природе ВТСП в купратах, основанные на модели так называемых резонансных валентных связей. Фактически, эти идеи в значительной мере опираются на результаты, полученные для одномерных моделей взаимодействующих электронов. В них низкотемпературное поведение электронов резко отличается от стандартного поведения в трехмерных системах. Электрон, обладающий зарядом и спином, перестает быть хорошо определенным возбуждением. Происходит так называемое разделение заряда и спина. В такой модели спин переносится незаряженными возбуждениями, а заряд – безспиновыми возбуждениями. Подобную систему называют латтинжеровской жидкостью.

Основная идея о сущности ВТСП-систем, развиваемая Андерсоном, заключается в том, что электронная система в таких соединениях представляет собой именно латтинжеровскую жидкость как в нормальном, так и в сверхпроводящем состоянии.

Отличие идеи, предложенной Лафлином с соавторами, от подхода Андерсона заключается в использовании дробной статистики для описания низкоэнергетических возбуждений в ВТСП-системах. Это означает, что соответствующие возбуждения не являются ни бозонами (как, например, фононы), ни фермионами (как сами электроны). В квантовой теории поля для них используется термин «анионы». Существенно при этом, что анионная теория приводит к нарушению симметрии относительно обращения времени, поскольку в системе фактически возникают спонтанные магнитные потоки. К сожалению, экспериментальные данные опровергают такую возможность. Теория ВТСП-систем Андерсона также не вызывает энтузиазма у большей части исследователей.

Значительная часть теоретических исследований ВТСП-соединений на втором этапе, как, впрочем, и на первом, сводится к довольно стандартной процедуре. Рассматривается система квазичастичных электронных возбуждений, только вместо фононов и экситонов, приводящих к межэлектронному притяжению и спариванию, вводится нечто иное. Это могут быть спиновые флуктуации, образование «спиновых мешков», специфика зонной структуры и т.п.

Единственное отличие второго этапа – это более детальное исследование моделей, основанных на существовании сильного межэлектронного отталкивания. Исследователям удалось довольно глубоко продвинуться в этой проблеме, однако, все еще не решены проблемы, связанные с поведением ВТСП-систем как в нормальном, так и в сверхпроводящем состояниях. Остается много вопросов, на которые в данный момент нет четких и ясных ответов, включая и вопрос о конкретном механизме совместного влияния электрон-фононного взаимодействия и кулоновского отталкивания на межэлектронное спаривание. И так далее… Но все это не мешает нам практически применять явление сверхпроводимости.