Прошло уже более 15 лет с момента открытия высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП), а общепринятой теории, описывающей это явление, до сих пор не существует. Недавно появившаяся экспериментальная работа группы ученых из США и Германии, похоже, может прорубить широкую просеку в лесу существующих моделей ВТСП.

То, что общепринятой теоретической модели ВТСП не существет, - еще очень мягкое утверждение. Три года назад, рассуждая в завершении своего обзора о том, есть ли свет конце туннеля в проблеме ВТСП, один специалист писал буквально следующее: "Одни полагают, что свет никогда не исчезал, другие считают, что его все еще нет впереди. Гораздо более важно с общественной точки зрения, что полное количество туннелей в проблеме ВТСП пока заведомо превышает все разумные пределы и из многих таких туннелей не видно не только света в конце, но даже и самого факта существования других тоннелей." Причем порой по несколько "туннелей" выкапывает один автор (другой специалист в области ВТСП, рассказывая недавно о впечатлении от конференции по ВТСП, упомянув одного теоретика, сказал примерно следующее "ну него уже, наверно, моделей двадцать есть, так что наверняка какая-нибудь из них окажется правильной").

Если все же пытаться выделить доминирующую в сверхпроводниковом сообществе концепцию, то таковой является предположение о "родстве" антиферромагнетизма и ВТСП. В его основе лежат следующие представления. В рамках известной модели Хаббарда рассматриваются локализованные на атомах (узлах кристаллической решетки) электроны, которые совершают перескоки с одного узла на другой. Если кулоновское отталкивание электронов, локализованных на одном узле кристаллической решетки, достаточно сильно, в системе появляется эффективное антиферромагнитное обменное взаимодействие электронов, локализованных на соседних узлах решетки и, соответственно, имеет место антиферромагнитное упорядочение спинов. В нормальном состоянии для такого антиферромагнетика существует щель в энергетическом спектре (запрещенная зона) - он является диэлектриком. Как и положено, у диэлектрика валентная зона полностью заполнена, а зона проводимости - пуста. Изменяя состав материала, можно добиться того, что вблизи потолка валентной зоны появятся незаполенные электронные состояния. Как известно, не до конца заполненную зону удобно описывать на языке таких квазичастиц как дырки, т.е. удобнее представить дело так, что есть в малой степени заполненная дырками зона. По мере того, как в процессе допирования (изменения состава ВТСП) валентная зона заполняется дырками, антиферромагнитные корреляции ослабевают и при определенных параметрах в системе возникает (речь идет о низких температурах, конечно) сверхпроводящее состояние (температура перехода в сверхпроводящее состояние и другие характеристики зависит от состава ВТСП, или, говоря другими словами, от уровня допирования).

Различия между множеством моделей ВТСП, вырастающих из этого общего корня, кроются, в частности, в механизме, который обеспечивает спаривание электронов (точнее говоря, дырок). Отличие ВТСП от классических сверхпроводников состоит в том, что традиционный электрон-фононный механизм, обеспечивающий связывание электронов в куперовские пары , по общему мнению не может быть "полностью" отвественным за ВТСП (о том, играет ли он существенную роль в ВТСП или нет, до сих пор идут дискуссии).

Если сверхпроводимость и антиферромагнетизм тесно связаны друг с другом и энергии сверхпроводящего и антиферромагнитного состояний близки друг к другу, то следует ожидать, с одной стороны, сильных антиферромагнитных флуктуаций (то есть существования антиферромагнитных доменов с конечным временем жизни и/или конечными размерами) в сверхпроводящей фазе, а с другой – сверхпроводящих флуктуаций в антиферромагнитной фазе, т.е. "смешивания" сверхпроводимости и антиферромагнетизма. В частности, расчеты показывали, что следует ожидать протекания сверхпроводящего тока через "конструкцию"состоящую из достаточно тонкой прослойки антиферромагнитного диэлектрика, заключенной между слоями ВТСП (вообще это красивой явление - эффект Джозефсона - известно уже сорок лет); также предсказывалось ухудшение сверхпроводящих характеристик тонкой ВТСП-прослойки между двумя антиферромагнитными слоями.

Рис. 1. Схематическое изображение исследуемой структуры. На подложке из LaSrAlO4 (LSAO) или SrTiO3 (STO) выращивалась пленка La1.85Sr0.15CuO4 (LSCO), в которую вводились слои LaCuO4 (LCO) нанометровой толщины. К "электродам" La1.85Sr0.15CuO4 делались контакты из золота, измерения проводились четырехконтактным методом.

В прошлом году мы писали о работе интернациональной группы ученых , проводивших эксперименты с тонкими пленками ВТСП La_2-xSr_xCuO₄, отмечая масштабность и высокий уровень проведенной работы. И вот продолжение - примерно этот же коллектив ученых провел эксперименты, направленные на выяснение того, действительно ли имеет место смешивание антиферромагнитного и сверхпроводящего состояния. С этой целью на уникальной установке молекулярно-лучевой эпитаксии были выращены обладающие высоким кристаллическим совершенством структуры типа ВТСП (La_1.85Sr_0.15CuO₄)/ антиферромагнетик (LaCuO₄)/ ВТСП (La_1.85Sr_0.15CuO₄) с толщиной антиферромагнитной прослойки всего 1.3 нм (т.е. толщина соответствовала всего одной элементарной ячейке кристаллической решетки LaCuO₄), также были выращены структуры с другими параметрами. Проведенные при различных температурах транспортные измерения показали, что, в противес ожиданиям, в структурах не наблюдается сверхпроводящего тока даже при минимальной толщине антиферромагнитной прослойки (1.3 нм) - в пределах чуствительности регистрирующей не было зафиксировано прохождения тока через структуру! Исследователи проводили "контрольные" эксперименты, например, отжигали структуры в озоне (при этом антиферромагнитная прослойка становится сверхпроводящей) - в этом случае сверхпроводящий ток наблюдался, а критический ток составлял 5 x 10⁴ А/см², как в обычных пленках La_1.85Sr_0.15CuO₄ без всяких "вставок" (что лишний раз свидетельствует о высоком качестве выращенных структур).

Ученые провели также эксперименты со сверхрешетками La_1.85Sr_0.15CuO₄/LaCuO₄ (рис. 2), в которых уже толщина слоя ВТСП (La_1.85Sr_0.15CuO₄) соответствовала всего одной элементарной ячейке. Опять же, вопреки ожиданиям, не было зафиксировано значительного ухудшения сверхпроводящих характеристик ВТСП прослойки.

Рис. 2. Схематическое изображение сверхрешеток La1.85Sr0.15CuO4/LaCuO4, выращенных на подложке SrTiO3; толщина слоев материалов указана в элементарных ячейках (UC).

Полученные результаты свидетельствуют, что обычные представления, связывающие сверхпроводимость с появлением дырок в валентной зоне в результате допирования, по-видимому, несостоятельны - скорее при допировании возникают электронные состояния в середине запрещенной зоны. Таким образом, под сомнением оказывается большинство существующих теорий ВТСП, во всяком случае, в существующем виде. Конечно, есть и модели ВТСП, которые не ставятся под вопрос результатами проведенных экспериментов, в частности, теории, связанные с разделением заряда и спина. В этих моделях ВТСП предполагается, что многочастичные корреляции столь сильны, что язык одночастичных возбуждений (напомним, что электроны и дырки в твердом теле - это квазичастицы, элементарные возбуждения) перестает быть адекватным языком описания электронной подсистемы. На место обладающих зарядом и спином электронов (дырок) "заступают" коллективные возбуждения (спин переносится незаряженным спиноном, а заряд - бесспиновым холоном). Однако для того, чтобы убедиться в истинности этой (или иной) модели, требуются новые эксперименты.

1. I.Bozovic, G.Logvenov, M.A.J.Verhoeven et al. Nature, v.423, 873 (2003).

Также использованы материалы заметки Л.Опенова в бюллетене ПерсТ, выпуск 11 за 2003 г.

Е.Онищенко