elektrodi-miniГруппа российских учёных провела новое теоретическое исследование в области фундаментальной физики сверхпроводимости по изучению свойств p-волновых сверхпроводников (p-wave superconductors), особых топологических сверхпроводников, которые обладают рядом специфических свойств, ранее считавшихся физически невозможными. Учёные описали явление формирования спонтанных токов на поверхности этих необычных p-волновых сверхпроводников. Статья опубликована в журнале Superconductor Science and Technology. Работа проведена под руководством заведующего лабораторией топологических квантовых явлений в сверхпроводящих системах МФТИ Александра Голубова и Михаила Куприянова, главного научного сотрудника лаборатории физики наноструктур НИИЯФ МГУ.


Таким образом, в будущем понимание фундаментальной физики p-волновых сверхпроводников может привести к значительному развитию сверхпроводящей электроники. Такие сверхпроводники возможно эффективно интегрировать в гибридные структуры с ферромагнетиками. Анизотропные свойства необычных сверхпроводников послужат для создания принципиально новых элементов электроники, а наличие топологических поверхностных состояний пригодится при создании квантового компьютера.

Необычная сверхпроводимость

Явление сверхпроводимости проявляется при формировании в веществе переносящих заряд новых частиц – куперовских пар. Эти квазичастицы, состоящие из двух притягивающихся друг к другу электронов, образуют сверхтекучую электронную жидкость, в которой заряд может переноситься без сопротивления, а магнитное поле выталкивается. В большинстве существующих и наиболее распространённых сверхпроводников орбитальный момент пары электронов L равен 0, и, в соответствии с правилами квантовой механики, спины электронов в паре противонаправлены, а полный спин также равняется нулю: S=0. Такие традиционные сверхпроводники называются s-волновыми и синглетными по спину.

Существуют и другие типы сверхпроводимости. Например, в высокотемпературных керамических сверхпроводниках орбитальный момент пары L=2. Такие материалы называются d-волновыми сверхпроводниками. Правда, спины электронов в такой системе всё так же противонаправлены, и S=0. В результате подобные типы сверхпроводимости обладают рядом общих свойств, связанных со спиновой характеристикой куперовской пары. Например, в ферромагнитных материалах, где магнетизм стремится упорядочить все спины в одном направлении, куперовские пары быстро разрушаются. Поэтому создать материал, в котором одновременно существовали бы синглетная сверхпроводимость и ферромагнетизм, практически невозможно. Если же традиционный сверхпроводник и обычный ферромагнетик привести в электрический контакт, то куперовские пары проникнут в ферромагнетик на очень короткое расстояние, что существенно ограничивает возможности создания эффективных гибридных структур «сверхпроводник – ферромагнетик».

Однако недавно выяснилось, что существует и другой тип сверхпроводимости. Исследования ядерного магнитного резонанса в сверхпроводнике рутенате стронция (Sr2RuO4) показали, что куперовские пары в нём триплетные, т. е. полный спин равен единице S=1, а проекция спина на выделенную ось может принимать три различных значения. В соответствии с принципом Паули, орбитальный момент пар в объёме такого сверхпроводника должен быть нечётным: L=1, 3, 5 …  Чтобы установить пространственную симметрию сверхпроводимости в данном материале, потребовались дополнительные исследования. В настоящий момент наиболее вероятно, что рутенат стронция является хиральным px+ipy-волновым сверхпроводником. Это означает, что в сверхпроводнике есть два типа куперовских пар, которые преимущественно движутся в перпендикулярных направлениях x и y, а орбитальный момент каждой пары равен единице L=1. Наиболее интересные эффекты в этих материалах возникают на границе, где изменяется симметрия сверхпроводящего параметра порядка, причем для x и y компоненты она изменяется по-разному. Например, на поверхности такого материала должен возникать спонтанный ток. Но в реальности всё оказалось не так просто.

В теории все хорошо, а что на практике?

При экспериментальных измерениях рутената стронция теоретически предсказанные спонтанные токи не обнаружены, и это – одно из серьёзнейших противоречий, возникших между теоретическими представлениями и экспериментом. Теория достаточно явно указывает на наличие токов на границе в связи с изменением симметрии функции спаривания электронов, которая описывает их топологические свойства. Поэтому учёные-теоретики в своём исследовании попытались разобраться, какие эффекты проявили себя в эксперименте, и не позволили увидеть искомый спонтанный ток на границах подобных p-волновых сверхпроводников.

Сергей БАКУРСКИЙ, научный сотрудник: «Мы описали процессы формирования спонтанных токов на различных типах поверхностей p-волнового сверхпроводника. В большинстве предыдущих исследований этот эффект исследовался в предположении, что поверхность материала идеальна. А в реальных экспериментальных образцах на поверхности так или иначе появляются различные шероховатости, которые «портят» весь эффект. Более того, чтобы материал не деградировал, его часто покрывают какой-нибудь плёнкой, например, из нормального металла или другого сверхпроводника, что также значительно изменяет свойства границы. В нашей статье мы исследовали, как спонтанные токи на поверхности p-волнового сверхпроводника будут изменяться при покрытии его шероховатой границей или нормальным металлом с разной степенью диффузности».

Граница границе – рознь

Толщина плёнки на поверхности сравнивалась с двумя величинами – длиной свободного пробега в плёнке и когерентности в сверхпроводнике 0 (соответствует расстоянию между электронами в куперовской паре). В зависимости от соотношения этих величин и физической толщины плёнки получаются разные профили распределения плотности тока. Если толщина плёнки меньше длины когерентности и длины свободного пробега, то это – почти идеальная граница. Если длина свободного пробега очень большая, а длина когерентности маленькая – это чистый нормальный металл. Если же наоборот, то это – диффузная граница.
Основных результатов получено два. Во-первых, доказано, что плотность спонтанного тока действительно уменьшается по мере роста шероховатости, и если покрыть сверхпроводник нормальным металлом, то в металлическом слое спонтанные токи исчезают вовсе, а весь сверхпроводящий ток вталкивается внутрь сверхпроводящего материала. При этом его абсолютная величина в десятки раз меньше, чем предполагалось в случае идеальной границы.

Во-вторых, определено, что разным типам границы соответствуют разные профили распределения спонтанного тока: если граница идеальная, то спонтанный ток постепенно нарастает по мере приближения к границе на характерной длине порядка длины когерентности 0. Если граница диффузная, то спонтанный ток возникает гораздо ближе к границе, где-то в масштабе 04. Физическая причина – в случае идеальной границы сверхпроводящий ток переносится электронами, которые движутся под углом к границе около 45 градусов, а в случае диффузной границы основной вклад в сверхпроводящий ток дают электроны, которые движутся почти параллельно границе, из-за чего коренным образом меняется профиль тока.

В случае покрытия границы нормальным металлом происходит ещё более странная вещь – профиль сверхпроводящего тока, его максимум, вталкивается вглубь сверхпроводника, и если раньше максимальная плотность тока наблюдалась непосредственно на границе, то теперь там тока нет вообще, а его максимум внутри.

Если нормальный металл обладает конечной диффузностью, т. е. большой концентрацией примесей, то в нём возникают такие более сложные процессы, как появление двух типов электронов, которые дают примерно одинаковый вклад в перенос тока. Один соответствует чистому нормальному металлу с пиком внутри сверхпроводника, а второй – электронам диффузионного типа, движущимся параллельно границе. В результате распределение тока оказывается более сложным, с двумя пиками.

Вышеприведенные расчеты демонстрируют существенное уменьшение спонтанных токов на диффузионных поверхностях, что снимает противоречие между теорией и экспериментом.

Топология, технология… А когда будут выпускать квантовые компьютеры?

Если удастся экспериментально получить информацию о сверхпроводящих токах и их распределении вдоль границы, появится возможность использовать новый метод для изучения свойств поверхности. Существующие методы исследования распределения плотности тока должны позволить это измерить, например, метод Muon Spin Rotation, который позволяет посмотреть на картину плотности тока в сечении, перпендикулярном границе. На основе расчётов авторов статьи можно было бы построить таблицу того, насколько шероховатая граница получается для разных материалов, и по плотности тока узнать, какого типа материал находится сверху.

Александр ГОЛУБОВ, заведующий лабораторией топологических квантовых явлений в сверхпроводящих системах МФТИ: «Фундаментальные сведения о поведении p-волновых сверхпроводников предоставляют важную информацию о симметрии функции спаривания частиц, от которой зависят топологические свойства сверхпроводника и проявлением которой на границе являются эффекты в виде спонтанных токов».

Татьяна Небольсина, пресс-служба МФТИ

Перепечатка материалов без письменного согласия редакции запрещена.
При цитировании материалов в сети Интернет гиперссылка на prime-sphere.ru обязательна.