Над созданием сверхпроводников, работающих при комнатной температуре, работает огромное количество экспериментальных физических лабораторий по всему миру. Периодически появляющиеся новости об открытии новых высокотемпературных сверхпроводящих (ВТСП) материалов вселяют надежду на решение этой проблемы. В настоящее время, однако, отсутствует единая теория таких материалов. Физик из Института прикладной математики им. М.В. Келдыша Виктор Лахно предложил взять за основу трансляционно- инвариантную теорию биполяронов. В работе, вышедшей в научном журнале Advances in Condensed Matter Physics, указаны возможные пути решения проблемы комнатной сверхпроводимости.
Принятая сегодня теория сверхпроводимости БКШ, за которую ее создатели Бардин, Купер и Шриффер в 1972 году получили Нобелевскую премию, не давала права на существование сверхпроводимости при температуре выше нескольких градусов по Кельвину (около -270 по Цельсию). Однако в ходе экспериментов в 1986 году Мюллер и Беднорц нашли первое соединение из класса высокотемпературных сверхпроводящих купратов La2-xBaxCuO4 (Т=-243 по Цельсию), за что тоже получили Нобелевскую премию. Они стали сокращенно называться ВТСП материалами. Сейчас ученые уже создали соединения, способные к сверхпроводимости при температурах до -70 по Цельсию. Сегодня основной проблемой в этой области является разработка микроскопической теории, способной объяснить экспериментальные факты, которые не могут быть учтены стандартной теорией БКШ. Это породило множество вариантов новых объяснений механизма сверхпроводимости. Одно из них биполяронное.
На данный момент российским ученым Виктором Лахно, руководителем лаборатории квантово-механических систем Института математических проблем биологии РАН, филиала Института прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН, рассчитаны критическая температура перехода, энергия, теплоемкость и теплота перехода идеального трехмерного бозе-конденсата трансляционно-инвариантных биполяронов (TИ-биполяронов). Полученные результаты дают объяснение экспериментам с высокотемпературными сверхпроводниками.
Конденсат Бозе — Эйнштейна — это пятое агрегатное состояние материи, которое было предсказано Альбертом Эйнштейном в 1925 году на основе работ индийского физика Бозе. Сам конденсат был получен в эксперименте через 70 лет, в 1995 году Корнеллом и Виманом. Учёные использовали газ из атомов рубидия, охлаждённый до практически абсолютного нуля (1,7х10-7 кельвинов). За это в 2001 году им была присуждена Нобелевская премия. Бозе-конденсат характеризуется тем, что все частицы движутся согласованно. Они формируют одну квантово-механическую волну и ведут себя как одна гигантская частица. Все они одновременно находятся в одном и том же месте, и каждая из них «размазана» по всей области пространства.
Лахно математически доказал, что бозе-конденсат может быть образован из квантового бозе-газа. Который, в свою очередь, состоит из трансляционно-инвариантных биполяронов.
Полярон — это квазичастица, из электрона и возмущения, которое он производит, пролетая сквозь кристаллическую решетку. Такие возмущения называют фононами. Ввел понятие полярона советский физик Пекар в 1946 году, в дальнейшем теория поляронов получила важное развитие в работах нашего соотечественника Тулуба. Биполярон это два полярона, связанных между собой фононным взаимодействием. Виктору Лахно удалось показать, что биполярон может обладать свойством трансляционной инвариантности, то есть представлять собой плоскую волну, бегущую в кристаллической решетке. Ученый теоретически доказал, что трансляционно-инвариантные биполяроны могут создавать устойчивый бозе-конденсат даже при комнатной температуре. А значит сверхпроводимость при этих температурах возможна.
В своих расчетах он исходил из тех же начальных положений, что и классическая теория БКШ. Однако, вместо фононных переменных из фрёлиховского гамильтониана электрон-фононного взаимодействия исключил не фононные переменные, а электронные. Так как в случае линейного закона дисперсии (как в БКШ) фононы представляют собой квантованные звуковые волны, то можно сказать, что в ТИ-биполяронной теории причиной сверхпроводимости являются заряженные звуковые волны, которые образуют конденсат. В случае ВТСП материалов, согласно его теории, мы имеем дело не со звуковыми, а с оптическими фононами, поскольку эти материалы являются ионными кристаллами. В результате теория описывает заряженный бозе газ из связанных с парами электронов оптических фононов, представляющих собой трансляционно-инвариантные (ТИ) биполяроны. Как и куперовские пары ТИ-биполяроны являются плоскими волнами, обладающими малой корреляционной длиной: величиной в несколько постоянных кристаллической решётки.
Качественное отличие данной теории от других состоит в том, что согласно этой теории, в ТИ-биполяронном, т.е. в спаренном состоянии, даже при равной нулю температуре находится лишь небольшая доля всех электронов. Это соответствует результатам, полученным в экспериментах в 2016 году и открывает совершенно новые перспективы в создании комнатных сверхпроводников. Поскольку, чтобы повысить критическую температуру перехода, согласно этой теории, необходимо повысить концентрацию ТИ-биполяронов.
Виктор Лахно рассказывает: «Для создания сверхпроводящего кабеля необходимо использовать сильно недодопированный ВТСП материал (температура сверхпроводящего перехода которого очень мала, т.е. всего несколько кельвинов). В таком материале, однако, уже есть биполяроны, хотя и в очень малом количестве. Все, что теперь нужно сделать, это повысить их концентрацию, не прибегая к допированию. Этого можно добиться, если кабель сделать коаксиальным так, чтобы внутренний кабель малого диаметра, изолированный от внешнего, создавал сильное электрическое поле, притягивающее к нему биполяроны».
Ранее вопрос так никогда не ставился, поскольку считалось, что при низких температурах все электроны и так спарены и можно увеличивать лишь концентрацию электронов, а не их пар.
По информации https://scientificrussia.ru/news/teoriya-daet-dobro-sverhprovodimosti-pri-komnatnoj-temperature
Обозрение "Terra & Comp".
