Академик Ю. А. ОСИПЬЯН, директор Института физики твердого тела АН СССР

Работы по высокотемпературной сверхпроводимости ведутся во всем мире потрем направлениям. По-прежнему продолжается гонка за высокими температурами. В последние полтора года сделан рывок в область температур сверхпроводящего перехода, превышающих 120 К. А за предыдущие 75 лет удалось продвинуться всего на 15 К.

Бум начался с сообщений о синтезе систем на основе лантана с температурой перехода 30-40 К. Следующий важнейший шаг - переход к иттрий-бариевым системам, у которых температура перехода составляет уже около 93 К. Сейчас найдены еще более высокотемпературные соединения на основе висмута и на основе таллия с температурой перехода вплоть до 120 К.

Эмпирический поиск новых материалов ученые ведут, руководствуясь некоторыми качественными соображениями, например, представлениями о замене одних ионов другими. Но они не могут быть количественными, поскольку нам неизвестен основной физический механизм, приводящий к такому состоянию, когда вещество теряет сопротивление электрическому току. Понять его действие - так можно сформулировать конечную цель второго и, пожалуй, главного направления исследований. Оно заключается в систематическом изучении уже синтезированных сверхпроводников. Нам нужно представлять, каков механизм их электрической проводимости в нормальном состоянии, перед переходом в сверхпроводящее. От этого зависит правильный выбор модели.

Наконец, третье направление работ - технологические исследования - непосредственно связано с практическим использованием новых материалов.

Каковы важнейшие результаты, полученные советскими учеными за последнее время в понимании механизма высокотемпературной сверхпроводимости? Сейчас мы можем точно сказать: главная причина явления, как следует из старой модели низкотемпературной сверхпроводимости, - спаривание носителей тока и образование так называемых куперовских пар, комплекса частиц из двух электронов или двух дырок. Вопрос заключается в том, что является причиной спаривания. Он до сих пор открыт.

Существующая теория Бардина-Купера-Шриффера - знаменитая БКШ, увенчанная Нобелевской премией, предлагала фононный механизм образования куперовских пар. Но судя по всему только этот механизм не может обеспечить высокотемпературную сверхпроводимость. По последним данным, он либо вообще не работает, либо работает в сочетании с другими механизмами. Их множество: экситонный, биэкситонный, поляронный, биполяронный, магнонный...

В нашем институте получены, с моей точки зрения, очень важные экспериментальные результаты. В первую очередь хочу сказать о данных, связанных с изучением электрических свойств сверхпроводящих монокристаллов. Эти свойства определяются сложной атом но-кристаллической структурой. Представьте вытянутую вверх призму высотой 11 - 13 А, с основанием в виде квадрата размером 3,5 * 3,5А. Она состоит из трех подъячеек. В центре каждой сидит либо редкоземельный атом, либо атом бария. Эта структура, характерная для высокотемпературных сверхпроводников, называется тетрагональной. Но если охлаждать монокристалл, то уже при 500 - 600 С - температуре, гораздо выше температуры сверхпроводящего перехода, происходит резкое изменение структуры. Она становится орторомбической; в основании призмы вместо квадрата появляется ромб, соответственно меняются все кристаллографические параметры. Изучением таких структур мы и занимаемся.

Первые измерения, сделанные на монокристаллах иттрий- бариевых систем, показали: электрическое сопротивление в нормальном состоянии анизотропно, т. е. зависит от направления. Даже встал вопрос о размерности проводимости. Ведь раньше считалось: металлическая проводимость свойственна только основанию призмы. А вдоль направления С, т. е. перпендикулярно основанию, проводимость носит полупроводниковый характер.

Эти представления лежали в основе теории лауреата Нобелевской премии Ф. Андерсона (США). В нашем институте под руководством члена-корреспондента АН СССР И. Ф. Щеголева ^* проведены исследования, результаты которых не удается объяснить, используя андерсеновскую модель. Оказалось, в совершенном монокрис-

^* С 1994 г. - академик (прим. ред.).

стр. 65

талле проводимость во всех направлениях (в том числе С) носит металлический характер. Мне кажется, это один из самых важных экспериментальных результатов последнего времени в науке о сверхпроводимости, поскольку он дает основания говорить о высокотемпературных сверхпроводниках как о веществах, являющихся перед переходом в с верх про водящее состояние нормальными трехмерными металлами, только анизотропными (напомню: в отличие от диэлектриков и полупроводников электропроводность металлов при понижении температуры увеличивается). Иными словами, металлические свойства проявляются по всему объему кристалла.

Позже наши результаты повторили американские ученые и японцы. На прошлогодней конференции по высокотемпературной сверхпроводимости в Интерлакене (Швейцария) эти данные были признаны правильными.

Второй значительный результат касается распределения тока по сечению образца. Не умаляя заслуг зарубежных коллег, скажу опять о работах, сделанных в нашей стране. Существовала точка зрения, будто сверхпроводящий ток распространяется не по всему объему, а концентрируется в отдельных областях, например, на границах двойников. (Все кристаллы в низкотемпературном, орторомбическом состоянии представляют собой двойниковые системы. Их структура напоминает "паркет": ромбы, лежащие в основании отдельных призм, развернуты относительно друг друга под некоторым углом.) Если ток течет только в определенных областях, то надежды пропустить сильный однородный ток через образец мало.

Нам удалось показать, как распределяется ток в сверхпроводнике.

Было известно, что для сверхпроводников справедлив закон Мейснера: магнитное поле внутрь образца проникнуть не может - оно выталкивается подобно пробке из бутылки с шампанским. Но академик А. А. Абрикосов показал, что в некоторые типы сверхпроводников магнитное поле все-таки проникает, только не сплошным потоком, а в виде отдельных линий - квантов магнитного потока, известных в науке как вихри Абрикосова.

С помощью электронного микроскопа мы наблюдали неоднородность распределения магнитного поля в образце. Посыпали его очень тонким слоем ферромагнитного порошка, который по мере охлаждения материала перегруппировывался и концентрировался в областях наиболее сильного магнитного поля в виде кружочков. Они образовывали строгую решетку, как и следовало из теории Абрикосова. Кружочки очень малы - меньше микрона. Поэтому с поверхности образца делали "реплику" - своеобразный слепок, фиксирующий полученную решетку вихрей, и затем изучали эту "картинку" под электронным микроскопом. Равномерность решетки свидетельствовала о равномерном распределении тока по всей толще монокристалла. Расстояние между "вихрями" составляло 0,3 мкм. Это верхняя оценка глубины проникновения магнитного поля в образец.

Таким образом, удалось сделать однозначный и очень серьезный вывод: сверхпроводящие монокристаллы могут пропускать большие токи. Наши результаты по магнитной структуре повторили затем специалисты фирмы "Белл телефон" (США).

Хочу упомянуть и об оптических исследованиях, проведенных под руководством профессора В. Б. Тимофеева ^* . Сверхпроводниковые материалы содержат медь и кислород. Влияет ли замена одних изотопов кислорода другими на температуру перехода вещества в сверхпроводящее состояние? Этот вопрос вызывает много споров. Первые данные отрицали такое влияние. Затем в Лос-Аламосе

* С 1990 г. - член-корреспондент РАН (прим. ред.).

стр. 66

(США) получили, казалось бы, впечатляющий результат, свидетельствовавший об обратном. Но он не был принят, поскольку методика подготовки образца оказалась не совсем корректной. Тогда Тимофеев провел аналогичные по постановке, но оптические исследования. Ведь основной вопрос можно рассматривать несколько шире. В соответствии с теорией БКШ изотопное замещение должно влиять не только на температуру сверхпроводящего перехода, но и на некоторые другие свойства, в частности, на вид оптических спектров. В результате экспериментов, проведенных Тимофеевым (он замещал ¹⁶ 0 на более тяжелый изотоп ¹⁸ 0), удалось подтвердить такое влияние. В ходе ближайших исследований, думаю, будет решен вопрос и о том, как сказывается замена изотопов на температуру сверхпроводящего перехода.

Интересные работы есть у академиков Л. В. Гинзбурга, Л. Л. Горькова, ряда других ученых АН СССР. Изложить их суть в популярной форме сложно. Попробую в общих чертах остановиться на новой теории академика А. Ф. Андреева. Она, в частности, касается тех вопросов, о которых я уже говорил.

На основе ряда экспериментальных данных считалось, что границы двойников могут либо усиливать, либо ослаблять сверхпроводимость. Казалось бы, варианты взаимоисключающие. Теория Андреева допускает оба случая в зависимости от конкретных условий. Она имеет очень важные следствия, поддающиеся экспериментальной проверке.

Первое касается распределения магнитного потока в образце. Вспомните о вихрях Абрикосова, пронизывающих сверхпроводник. Вихревая магнитная нить не может вдруг оборваться. По закону Кирхгофа, изучаемому в школе, ток не кончается в каком-то месте, а либо разветвляется, либо течет по другому "руслу". Андреев показал: именно так ведет себя сверхпроводящий ток в присутствии двойников. А если ток может раздваиваться, менять "русло", значит, он может огибать препятствия, встречающиеся на его пути.

Это позволяет продолжить работу над созданием более полной теоретической модели, описывающей поведение сверхпроводящего тока в материале.

Второе важное следствие теории Андреева заключается в том, что вихревые линии бывают разбиты на участки, которые способны двигаться отдельно. Сделанные выводы весьма существенны, поскольку нам важно понять, что мешает соединению вихрей, какие неоднородности в сверхпроводнике служат для них препятствием. В конечном счете речь идет о способности материала пропускать больший или меньший критический ток.

Эта способность, в свою очередь, играет существенную роль при решении технологических вопросов, при получении материалов с нужными свойствами. Ближайшая перспектива - изготовление кабеля, проводов для электротехники и энергетики. Задача непростая. Я уже не раз пользовался такой, по-моему, очень показательной аналогией: сделать провод из сверхпроводников все равно, что сделать его из бетона. Хрупкий, непластичный материал надо уметь прокатать, проволочить... Кроме того, в ходе обработки он теряет и приобретает кислород, что сказывается на сверхпроводящих свойствах.

Или вопрос о сверхпроводящем токе и магнитной структуре материала. Я уже описал картину проникновения магнитного поля в образец в виде вихрей. Но это была статичная картина. Когда через материал пропускают ток, она приходит в движение. Устойчивость сверхпроводящего состояния зависит от того, насколько интенсивно вихри движутся или насколько плотно закрепляются. По мере проникновения магнитного поля расстояние между вихрями сокращается, так как концентрация их возрастает и, наконец, достигает такой величины, когда магнитное поле разрушает сверхпроводящее состояние. Значит, чем больше сила тока, тем больше вероятность потери сверхпроводящих свойств. Сейчас мы изготавливаем длинные куски сверхпроводящего провода, пропускающего 1000 А/см ² . Есть надежда улучшить эту характеристику.

Еще один вид технологии - пленочная - связан с задачами вычислительной техники и микроэлектроники. Надо иметь в виду, что сверхпроводники будут использоваться здесь не при постоянном токе, а переменном, в условиях сильных электрических полей, когда новые материалы ведут себя иначе. Меняются все характеристики их перехода в сверхпроводящее состояние, в частности, он происходит при более низких температурах. Следовательно, используя такие материалы при переменном токе, и особенно при высоких частотах, надо иметь запас по температуре. Многие академические и учебные институты страны занимаются этими проблемами.

Сейчас можно с уверенностью сказать: при очень высоких частотах при азотных температурах материалы сохраняют сверхпроводящие свойства. Даже при импульсном режиме работы, когда длительность импульса составляет порядка нескольких пикосекунд (пикосекунда - 10 ^-12 с), эти свойства не исчезают.

Мы умеем делать сверхпроводящие пленки, не уступающие по характеристикам лучшим зарубежным образцам, а иногда превосходящие их. Следующая задача - создание матриц, содержащих сверхпроводниковые и полупроводниковые элементы, и обеспечение их промышленного производства. Такая гибридная матричная схема разработана, хотя технология ее изготовления очень сложна. Но уже есть отдельные интересные результаты в области химического синтеза. Методика самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), разработанная под руководством профессора А. Г. Мержанова ^* , очень эффективная и производительная, получила высокую оценку за рубежом, в том числе в США. Многие промышленно развитые страны приобрели лицензию на технологию СВС. Она позволяет получить сверхпроводники, не уступающие по характеристикам материалам, созданным другими, более трудоемкими способами.

В целом же об уровне результатов во всех направлениях изучения высокотемпературной сверхпроводимости можно судить по заинтересованности, которую проявляют к сотрудничеству с нами капиталистические страны, где проводятся аналогичные исследования. Недавно опубликованы совместные работы сотрудников Института физики твердого тела АН СССР и Лос-Аламосской лаборатории. Мы обмениваемся образцами, перепроверяем результаты друг друга. Сотрудничают также и физики- теоретики двух стран.

Наука в СССР N 2, 1989

^* С 1997 г. - академик (прим. ред.).

Постоянный адрес данной публикации: