Стремление к совершенству далеко не всегда ведет к требуемому результату, иногда нужно стремиться как раз к несовершенству. Резко уменьшив кристаллическое совершенство сверхпроводника PbMo₆S₈, английские ученые существенно повысили верхнее критическое магнитное поле по сравнению с объемным материалом - до более чем 100 Тл.

В науке о сверхпроводимости ситуация "чем хуже, тем лучше" не является необычной. Например, давным-давно известна парадоксальная на первый взгляд вещь - чем менее хорошим проводником является материал, тем более хорошим сверхпроводником он может оказаться. Говоря строже, критическая температура (температура перехода в сверхпроводящее состояние) сверхпроводника тем выше, чем выше его сопротивление в нормальном состоянии (при температуре выше критической). Такая "странная" картина обусловлена тем, что критическая температура в классических сверхпроводниках определяются силой электрон-фононного взаимодействия, именно оно ответственно за связывание электронов в куперовские пары , из которых состоит сверхтекучая электронная жидкость.

Принцип "чем хуже, тем лучше", действует и в некоторых практических применениях сверхпроводников: для того, чтобы повысить токонесущую способность сверхпроводников второго рода (про сверхпроводники первого и второго рода см. в нашей новости ), увеличить критический ток (максимальный ток, который можно пропускать через сверхпроводник без потерь), материал специально "портят" - создают дефекты. Существует и родственная задаче повышения критического тока задача увеличения критического магнитного поля (в случае сверхпроводников второго рода, о которых пойдет речь, - верхнего критического поля). Это необходимо для увеличения достижимых при использовании сверхпроводящих магнитов магнитных полей. И с этой целью сверхпроводники также "портят" - легируют, создают большое количество дефектов и т.д. Один из путей повышения верхнего критического магнитного поля - формирование нанокристаллических материалов, именно таким путем пошли английские ученые: они провели исследование нанокристаллических образцов сверхпроводника PbMo₆S₈ и показали, что верхнее критическое поле увеличивается по сравнению с обычным PbMo₆S₈ в два раза [1].

Получение образцов с нарочито низким кристаллическим совершенством - достаточно трудоемкий процесс: нанокристаллические образцы PbMo₆S₈ были изготовлены с помощью прессования порошка при высокой температуре (давление - 2000 бар) в течении 8 чалов и последующего отжига при 1000 С в течении 40 часов. Сам же порошок был получен с помощью механического перемалывания в течении 200 часов в атмосфере аргона. Характерные размеры кристаллита в изготовленных образцах составили несколько десятков нанометров. Магнитные и электрические измерения, проведенные исследователями, показали, что и без того немаленькое (50 Тл) верхнее критическое поле PbMo₆S₈ выросло примерно в два раза - до 100 Тл! Точнее говоря, таково оно должно быть согласно расчетам, проведенным на основании данных, полученных при меньших магнитных полях.

Наблюдаемый эффект можно объяснить примерно следующим образом. Сверхпроводники второго рода в определенном диапазоне магнитных полей (от нижнего критического поля до верхнего) находятся в так называемом смешанном состоянии - магнитное поле проникает в сверхпроводник в виде "нитей" - вихрей Абрикосова. В сердцевине каждого вихря - области с характерным размером порядка длины когерентности (это, грубо говоря, размер куперовской пары, расстояние, на котором два электрона "чувствуют" друг друга) -сверхпроводимость подавлена, материал находится в нормальном состоянии. По мере возрастания магнитного поля вихри располагаются все ближе и ближе друг к другу (их число растет, так как каждому вихрю Абрикосова соответствует один "захваченный" квант потока магнитного поля) и, при достижении верхнего критического поля, сердцевины вихрей (области, находящиеся в нормальном состоянии) начинают сливаться - сверхпроводник переходит в нормальное состояние. Следовательно, чем меньше длина когерентности, тем большее число вихрей нужно "загнать" в сверхпроводник, чтобы перевести его в нормальное состояние. А уменьшая кристаллическое совершенство образца (в нанокристаллических образцах PbMo₆S₈ длина свободного пробега электрона была существенно меньше размера кристаллита - порядка одного нанометра), мы понижаем длину когерентности.

1. H.J.Niu and D.P.Hampshire. Phys.Rev.Lett., v.91, 027002 (2003).

Е.Онищенко