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 YBa₂Cu₃O_7-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 T_c 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 Li_xBC. Для Li_xBC 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 Li_xBC при различных значениях x. Как показывают расчеты, для Li_0.5BC 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).

перейти к началу страницы