В результате совместной работы коллектива исследователей Физического института им. П.Н. Лебедева РАН, Института физики высоких давлений им. Л. Ф. Верещагина РАН и химического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова был синтезирован «железный» сверхпроводник GdFeAsO(F) с критической температурой 53К.
Сотрудники ФИАНа и физического факультета МГУ впервые провели измерения спектров андреевского отражения в микроконтактах сверхпроводник — нормальный металл — сверхпроводник (S-N-S), образующихся на микросколе в образце такого сверх-проводника при температуре 4.2K. Полученные данные свидетельствуют о наличии двухщелевой сверхпроводимости. Рассказывает руководитель отдела высокотемпера-турной сверхпроводимости и сверхпроводниковых наноструктур ФИАН, доктор физико-математических наук Владимир Пудалов.

В 2008 году был открыт новый класс высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) на основе FeAs. Открытие было совершенно непредвиденным событием и стиму-лировало интенсивные исследования этих материалов. Оно разрушило бытовавшее более 20 лет мнение, что высокотемпературная сверхпроводимость является исключительным свойством купратов. Более того, сверхпроводящими оказались соединения железа – ти-пичного атома, порождающего магнетизм, то есть явления, которое ранее рассматрива-лось как антагонист сверхпроводимости. К настоящему времени синтезированные ВТСП материалы на основе FeAs насчитывают как минимум шесть классов. Наиболее высокими критическими температурами отличается класс «1111» REFeAsO(F) (где RE=La,Sm,Dy,Gd,Eu,Ce). В стехиометрическом составе, многокомпонентные ВТСП со-единения, как правило, или не проявляют сверхпроводящих свойств, или обладают не очень высокой критической температурой. Однако, варьируя концентрацию атомов фтора x, замещающего атомы кислорода, или вводя недостаток атомов кислорода, можно значи-тельно увеличить критическую температуру. Наивысшее значение Tc = 54K получено при оптимизированном дефиците по кислороду x = 0.2 в SmFeAsO1−x. Уже в 2009 году спе-циалисты ФИАНа, ИФВД РАН и химического факультета МГУ синтезировали сверхпро-водник GdFeAsO(F) практически с той же критической температурой 53К.
Эти соединения представляют огромный интерес для исследователей. Ведь сущест-вуют теоретические предположения, что сверхпроводимость в них вызвана магнитными флуктуациями. Другая их особенность заключается в комбинации магнитного упорядо-чения и сверхпроводящего спаривания в одном и том же материале. И наконец, третьей особенностью является не встречавшаяся ранее в природе симметрия параметра порядка. В сверхпроводнике, как известно, носители заряда (электроны или дырки) с противопо-ложным направлением импульса объединяются в пары и конденсируются в энергетиче-ски более выгодное коллективное состояние т.н. «куперовских пар». Согласно знамени-той теории нобелевского лауреата академика В.Л. Гинзбурга, коллективное сверхпрово-дящее состояние характеризуется параметром порядка. Коллективное состояние конден-сата расположено по энергии ниже состояний обычных электронов или дырок (возбужде-ний) в данном материале на величину так называемой энергетической щели Δ. Таким об-разом, чтобы разрушить сверхпроводимость (то есть разорвать пары), необходимо при-ложить энергию, не меньшую, чем энергия разрыва пар 2Δ. Например, надо повысить температуру вплоть до критической температуры Tc, при которой щель исчезает до нуля. В обычных низкотемпературных сверхпроводниках параметр порядка является изотроп-ным, что в физике сверхпроводимости, по аналогии с атомной физикой, классифицирует-ся как симметрия s-типа. Это означает, что энергетическая выгода образования пары не зависит от направления импульса электронов, входящих в состав куперовской пары (в этом просматривается аналогия с симметрией первой заполненной оболочки электронов в атоме гелия). После открытия высокотемпературных сверхпроводников в 1986 году фи-зики столкнулись с новым типом симметрии параметра порядка: оказалось, что в ВТСП материалах щель резко анизотропна и для некоторых направлений импульса обращается в ноль; по той же аналогии с атомной физикой этот тип симметрии был назван d-волновым. В настоящее время ключевыми исследуемыми вопросами для новых «желез-ных» ВТСП материалов являются (а) механизм спаривания, (б) симметрия параметра по-рядка, (в) величина и анизотропия сверхпроводящих щелей в энергетическом спектре.
Целый ряд экспериментальных данных указывает на то, что «железные» ВТСП мате-риалы являются многозонными сверхпроводниками. Исследования методом ядерного магнитного резонанса однозначно показали, что в соединениях класса «1111» электроны в куперовской паре имеют противоположное направление спина, так что суммарный спин пары равен нулю. Симметрия же параметра порядка в таких соединениях остается неяс-ной и требует экспериментального исследования. Многие исследователи предполагают существование иного типа симметрии: s-типа в каждом из двух конденсатов, но с отли-чающимися знаками, то есть s- типа. Если это предположение оправдается, то мы будем иметь дело с не встречавшимся ранее в природе типом симметрии парамтера порядка. С механизмом спаривания тесно связана величина и структура сверхпроводящей щели . Но этот параметр определяется почти исключительно в экспериментах по микроконтакт-ной спектроскопии. Данные же микроконтактной спектроскопии на подобных материалах пока скудны и зачастую противоречивы. А для GdFeAsO(F) измерения щели до сих пор вообще не проводились.
Сотрудники физического факультета МГУ и ФИАНа провели измерения спектров андреевского отражения при температуре 4.2K в микроконтактах сверхпроводник—нормальный металл—сверхпроводник (S-N-S), образующихся на криогенном микросколе в образце GdFeAsO0.88F0.12. Полученные данные свидетельствуют о двухщелевой сверх-проводимости; возможно даже существование третьей щели в спектре сверхпроводника. Значения двух щелей составляют L = (10.52) мэВ и S = (2.3 0.4) мэВ. Оценка отноше-ния 2L/kTc = 4.8 (для Tc=53K) превышает стандартное значение 3.52 в теории БКШ для однощелевого сверхпроводника в пределе слабой связи, тогда как для малой щели отно-шение 2S/kTc = 1.1 меньше стандартного БКШ значения. Учитывая также нормальный знак изотопического эффекта для Fe, полученные значения 2L,S/kTc указывают на то, что в этом сверхпроводнике в дырочных зонах, возможно, имеетcя сильная электрон-фононная связь, а значение 2S/kTc для малой щели определяется наличием межзонной связи.

Результаты работ опубликованы:

1. E.P. Khlybov, O.E. Omelyanovsky, A. Zaleski, A. Sadakov, D.R. Gizatulin, L.F. Kulikova, I.E. Kostyleva, V.M. Pudalov, Письма в ЖЭТФ 90 (5), 429 (2009).
2. T.E. Shanygina, Ya.G. Ponomarev, S.A. Kuzmichev, M.G. Mikheev, S.N. Tchesnokov, O.E. Omel'yanovskii, A.V. Sadakov, Yu.F. Eltsev, A.S. Dormidontov, V.M. Pudalov, A.S. Usol'tsev, E.P. Khlybov, Письма в ЖЭТФ, 93(2), 95 (2011).
3. В.М. Пудалов, О.Е. Омельяновский, Е.П. Хлыбов, А.В. Садаков, Ю.Ф. Ельцев, К.В. Мицен, О.М. Иваненко, К.С. Перваков, Д.Р. Гизатулин, А.С. Усольцев, А.С. Дорми-донтов, С.Ю. Гаврилкин, Я.Г. Пономарев, Т.Е. Шаныгина, “В.Л. Гинзбург и развитие в ФИАН экспериментальных работ по высокотемпературной сверхпроводимости: Же-лезные сверхпроводники”, УФН, т. 181, № 6, 672 (2011).

АНИ «ФИАН-информ»

___________________________________________________
Прим.:
Запрещенная зона (энергетическая щель) — область значений энергий в энергетическом спектре кристалла, которыми не могут обладать электроны, фононы или другие квазича-стицы. Запрещенная зона отделяет одну разрешенную зону от другой. Например, запре-щенная зона встречается в полупроводниках, где она отделяет валентную зону от зоны проводимости. Ширина Eg определяет электрические и оптические свойства полупровод-ников.
Андреевское отражение — процесс отражения электрона, падающего из нормального металла на границу со сверхпроводником, при котором электрон превращается в дырку. Названо по имени Александра Федоровича Андреева, теоретически предсказавшего такой тип отражения в 1964 году.