О сверхпроводимости сегодня слышали все, но, оказывается, она бывает необычной, нетривиальной, нестандартной и нетрадиционной. В чем это проявляется? Как эти особенности можно использовать? Какие успехи на этом поприще имеются у российских ученых? Как сверхпроводимость связана с фотосинтезом? Об этом мы беседуем с членом-корреспондентом РАН Максимом Михайловичем Коршуновым, главным научным сотрудником Института физики им. Л.В. Киренского Сибирского отделения РАН (Красноярск).
Максим Михайлович Коршунов. Фото Ольги Мерзляковой / Научная Россия
― Максим Михайлович, вы занимаетесь необычной формой сверхпроводимости. В чем эта необычность проявляется?
― Сначала стоит поговорить об обычной сверхпроводимости. Ее открыли в 1911 г., когда впервые получили жидкий гелий, это –270 °C, и обнаружили, что в некоторых металлах, например в ртути, возникает новый эффект, когда исчезает сопротивление, ― ток проходит свободно, нет тепловых потерь. Состояние без сопротивления и есть сверхпроводимость.
Долгое время сверхпроводники, которые открывали, обладали низкой температурой. Такая температура называется критической, ниже нее нормальный металл переходит в сверхпроводящее состояние. Поскольку критические температуры были низкими, для перехода в это состояние требовался жидкий гелий.
Прошло порядка 50 лет, прежде чем смогли объяснить это явление. Объяснение ему нашли только с воцарением квантовой механики, с возникновением методов квантовой теории поля, потому что это сугубо квантовое явление. С классической точки зрения понять его не могли, и только после ряда теоретических работ стало очевидно, как возникает такое состояние.
― А когда ее начали использовать?
― Значительно позже. В 50-х гг. XX в. поняли, как оно возникает, а в 1980-х гг. открыли так называемые высокотемпературные сверхпроводники, у которых критическая температура была сначала порядка 30 К (это –240 °C).
― Ничего себе высокотемпературные!
― По сравнению с 2–3 К, которые были у классических сверхпроводников, 30 К ― это на порядок больше. Следующие соединения такого типа открыли спустя несколько лет. Они обладали критической температурой уже больше 110 К. Их можно было охлаждать с помощью жидкого азота, который значительно дешевле жидкого гелия. И тогда уже стали задумываться о практическом применении. Парадоксально, что в настоящее время в основном используются классические сверхпроводники.
― Почему это парадоксально?
― Потому что для их охлаждения нужен жидкий гелий, а он дороже жидкого азота. Но зато они обладают изотропностью ― из них легко сделать обычный провод. А высокотемпературные сверхпроводники слоистые ― это слои меди, кислорода, поэтому их называют купратами. Из-за их слоистости из них не получается делать нормальные провода, только сверхпроводящие ленты. Это сложнее. Из-за этого их используют немного реже. Но и те и другие в настоящее время уже находят применение в сверхпроводящих магнитах, которые используются и в МРТ, и в современных коллайдерах, чтобы разгонять пучки, ― используются катушки, создающие магнитное поле. А большое магнитное поле может создать катушка из сверхпроводящего провода.
― Какими сверхпроводниками занимаетесь вы?
― Высокотемпературными. Но помимо того, что я рассказал, в 2008 г. был открыт еще класс соединений на основе железа. Из-за такой структуры их назвали пниктидами и халькогенидами железа. Там вместо меди ― атом железа. Первым делом, когда открывают новый сверхпроводник, пытаются выяснить, какой он: высокотемпературный, низкотемпературный, классический или чем-то отличается? И вот это отличие как раз получило название «необычная сверхпроводимость».
― В чем же отличия обычного сверхпроводника от необычного?
― Когда вещество переходит в сверхпроводящее состояние, это называется фазовым переходом второго рода, и он характеризуется величиной «параметр порядка». Она равна 0 в нормальном состоянии и отлична от него в сверхпроводящем. Эта величина может быть постоянной, константой, не зависящей от импульса частиц. Тогда это и есть обычный сверхпроводник, классический, иногда его называют тривиальным.
А если эта величина оказывается анизотропной (зависит от квазиимпульса частиц), тогда сверхпроводник называют необычным, нетрадиционным, нетривиальным. Но больше принято использовать термин «необычный».
Если открывают новый сверхпроводник, первым делом задаются вопросом: а он обычный или необычный? Потому что все высокотемпературные ― необычные. Когда в 2008 г. открыли соединения железа, сразу стали пытаться понять, к какому классу они относятся. В результате разных экспериментов выяснилось, что там целый «зоопарк» разных свойств. Они не похожи на купратные сверхпроводники.
Тогда возникла идея посмотреть, что даст непрямое измерение этого сверхпроводящего параметра порядка или, как его называют, «сверхпроводящей щели». С помощью рассеяния нейтронов можно посмотреть на магнитный отклик системы. Этот магнитный отклик должен отличаться в системе с тривиальным параметром порядка от того отклика, что будет в системе, где он нетривиальный.
― Вы смогли это сделать?
― Я с соавторами опубликовал статьи «Теория магнитных возбуждений в слоистых сверхпроводниках на основе железа» (М.М. Коршунов и И.М. Еремин) и «Сверхпроводящее состояние в соединениях железа и спин-флуктуационная теория спаривания» (http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.78.140509 и https://ufn.ru/ru/articles/2014/8/h/). И параллельно была опубликована статья, написанная учеными из Университета Санта-Барбары (США) о том, что в соединениях железа, если это необычные сверхпроводники, будет наблюдаться новый эффект ― спин-резонансный пик в неупругом нейтронном рассеивании. Подключились группы экспериментаторов из Штутгарта (Германия), из Великобритании и стали проверять. Первые результаты для нас были неутешительными: сказали, что никакого пика нет. Потом оказалось, что это связано с тем, как устроен эксперимент. Далее такой пик обнаружила группа из Великобритании, затем ― группа, которая работала на Гейтерсбергском источнике нейтронов в США. Следом пошел вал экспериментальных работ, где во всех возможных соединениях железа стали обнаруживать такой пик.
― Что это означает?
― Этот пик означает, что параметр порядка необычный: он получается из определенной теории. Классические сверхпроводники таковы, что у них формируется сверхпроводимость благодаря так называемому куперовскому спариванию электронов, когда двум электронам выгоднее находиться в связанном состоянии, чем быть по отдельности. И когда такое состояние формируется, возникает сверхпроводимость.
― Что приводит к такому спариванию?
― Взаимодействие. В классических сверхпроводниках это взаимодействие происходит через ионы кристаллической решетки, электрон-фононное взаимодействие ― через кванты колебания этой решетки, через фононы. Из-за этого к 1970-м гг. был сформулирован рецепт, что хороший сверхпроводник ― это хороший металл с кубической решеткой и у него не должно быть никаких магнитных примесей. А когда в 1980-х гг. открыли высокотемпературные сверхпроводники, они нарушили все эти правила. Это были слоистые структуры, в них были примеси, а главное ― магнетизм.
Одна из теорий, объясняющих высокотемпературную сверхпроводимость, гласит, что не взаимодействие через кристаллическую решетку, не электрон-фононное взаимодействие, а взаимодействие через магнитное возбуждение может привести к тому, что два электрона образуют связанное состояние.
Максим Михайлович Коршунов. Фото Ольги Мерзляковой / Научная Россия
Такие теории получили название спин-флуктуационных, и главное там ― обычное кулоновское взаимодействие между электронами. Если возвратиться к соединениям железа, оказалось, что спин-резонансный пик в нейтронном рассеивании можно объяснить с помощью такого параметра порядка, который получается именно из спин-флуктуационной теории. Это позволило выбрать механизм сверхпроводимости, за счет чего она возникает. А дальше пошли независимые подтверждения того, что возникает такое связанное состояние. Оно приводит к определенным эффектам в магнитном отклике.
― Вы сами смогли проверить это экспериментально?
― Не сам, но с коллегами из Физического института им. П.Н. Лебедева РАН и МГУ им. М.В. Ломоносова, они ― экспериментаторы, занимаются андреевским отражением. Это такой эффект, который специфичен для сверхпроводника, где ток протекает определенным образом: между двумя сверхпроводниками находится нормальный металл или изолятор. Нам удалось показать, что этот спин-резонансный пик влияет и на андреевское рассеяние ― возникает независимое подтверждение того, что этот пик есть в нейтронном рассеянии. Все сходится к тому, что параметр порядка анизотропен, необычен и может появляться из спин-флуктуационного механизма спаривания.
― В чем оригинальность ваших работ?
― Она заключается в том, что мы предложили поискать тот эффект, который соответствует определенному виду сверхпроводящего состояния. Для других сверхпроводников аналогичные эффекты пробовали искать ― где-то нашли, где-то нашли слишком много. А здесь оказалось, что именно в сверхпроводящем состоянии есть такой эффект.
― Какое практическое применение может все это иметь?
― Здесь практическое применение непрямое. Мы говорим, что нашли описание некоторого явления, подобрали теорию, которая может его объяснить, после этого мы можем попробовать вывести из этой теории самое простое следствие: а какие другие материалы соответствуют критериям этой теории?
― Подобрать подходящие материалы?
― Да. Попробовать искать целенаправленно. Если классические сверхпроводники искали в хороших металлах с кубической решеткой, то здесь нам нужны те системы, в которых есть магнитное возбуждение, но нет дальнего магнитного порядка, нет магнетизма, который обычно конкурирует со сверхпроводимостью, разрушает ее, не дает ей сформироваться. Исходя из этого, получается такой краткий рецепт: что это ― d-элементы с некоторыми магнитными возбуждениями, но не слишком сильными.
― Сейчас вы будете искать такие системы? Какая ваша следующая задача?
― Поскольку эта теория уже сформулирована, я как теоретик ищу другие пути развития. Чтобы искать материалы, нужен человек, который умеет их хорошо синтезировать. Такие люди в мире есть, это гении своего дела.
― И все-таки какое практическое приложение могут иметь ваши разработки?
― Во-первых, это вклад в общее понимание явления, потому что в природе сверхпроводимости еще много непонятного. Те же высокотемпературные сверхпроводящие купраты еще не объяснены, в них наблюдают много интересных явлений, но пока еще не понятно, откуда они берутся. Соответственно, мои работы ― это вклад в общее понимание явления сверхпроводимости, это одна из «деталей пазла», из которых все складывается. Кстати, методология, которую можно развивать, применима не только в этой области, но и в другой.
― О чем речь?
― Недавно я начал заниматься проблемами фотосинтеза. Казалось бы, где сверхпроводимость и где фотосинтез? Несмотря на то что фотосинтез все изучали в школе, химическая часть процесса всем вроде бы понятна, хотя там тоже есть свои нюансы, на самом начальном этапе, когда свет освещает систему с хлорофиллом, до сих пор еще много загадок. Например, каким образом все это происходит? Фотон, попадая в эту систему, очень эффективно ее возбуждает, и дальше по системе хлорофиллов в хлоропласте идет передача энергии. Фотон пришел ― энергия передалась, это один уровень понимания. Но нужно сделать много оценок, расчетов, чтобы теория согласовывалась с экспериментальными данными, которых набирается все больше и больше.
― Как это связано со сверхпроводимостью?
― Методами и подходами. Чтобы понять, что происходит в сверхпроводнике, нужно рассматривать динамику электронов ― как они взаимодействуют друг с другом. И таким образом мы переходим от микроскопического объекта ― электрона ― к макроскопическому. Вот уже есть объемный образец в несколько сантиметров. В кубическом сантиметре содержатся 1023 электронов, и взаимодействие этих электронов приводит к тому, что весь образец оказывается в новом состоянии. Из металлического переходит в сверхпроводящее.
― То есть если понять фотосинтез, то мы поймем и сверхпроводимость?
― Не все так просто. В чем заключается общность методик с фотосинтезом? Вот пришел фотон, возбудил систему электронов. А электроны что в сверхпроводнике, что в хлорофилле те же самые. Но как мы будем дальше рассматривать систему хлорофиллов? Как отдельную часть? Или можно построить из них макромолекулу или аналог твердого тела?
Твердое тело ― это совокупность атомов, периодически расположенных. Естественно, в природных объектах тоже есть периодические структуры. И можно попробовать использовать методы и там и там. Методы твердого тела попробовать на биологических системах и посмотреть, приведет ли это к объяснению каких-либо эффектов.
― Как вы думаете, появится ли сверхпроводимость при комнатной температуре?
― Формально она уже есть. Существуют сверхпроводники на основе сероводорода, которые имеют критическую температуру порядка –10 °C. Были сообщения, что уже есть и +20 °C, но они пока не подтвердились.
Правда, с этими сверхпроводниками есть небольшая проблема: это летучие соединения, и, чтобы возникла сверхпроводимость, надо, чтобы это был кристалл. Соответственно, нужно приложить давление, тогда система кристаллизуется.
― Какое давление?
― Температура почти комнатная, а давление громадное ― 200 ГПа. Это сравнимо с тем, что наблюдается у нас ближе к центру Земли. Это миллионы атмосфер. Поэтому формально комнатные сверхпроводники уже есть, но практически они пока еще неприменимы.
― Возможны ли сверхпроводники с комнатной температурой и давлением в одну атмосферу?
― Теоретически ― да. Ничто это не запрещает. Ведутся работы по классическим сверхпроводникам, а те, которые под большим давлением, оказались ближе к классическим, чем к необычным. Есть задача попробовать снизить давление. А второе направление ― попробовать найти какой-то необычный сверхпроводник.
― Это будет прорыв в физике ― проще, дешевле и много перспективнее, если такие появятся?
― По сути, изменится весь мир. Не надо будет заботиться о теплопотерях, а они составляют бóльшую часть при передаче энергии. У нас появятся летающие поезда ― это один из эффектов, которые сопровождают сверхпроводимость. Называется «эффект Мейснера», когда сверхпроводник выталкивает магнитное поле. Наверное, вы уже наблюдали такие видео, где сверхпроводник парит над магнитом или магнит ― над сверхпроводником. Это полет на магнитной подушке. Такие поезда уже проектируются, в Японии проводятся испытания. А если это будет при комнатной температуре, сразу отпадет необходимость охлаждать хладагентом ― гелием или азотом — и транспортная система полностью изменится. Поезд будет двигаться со скоростями, близкими к самолетным. Поскольку энергоэффективность у сверхпроводника выше, чем у обычного проводника, то та электроэнергия, которая добыта разными способами ― с атомной или гидроэлектростанции, ― будет использоваться более эффективно. Тогда у нас, очевидно, будет больше электротранспорта, который считается более экологичным. Словом, нам есть куда двигаться.