Сверхпроводимость обеспечила сверхизоляцию

Открыто явление антисверхпроводимости при высокой температуре

Группа российских и американских физиков открыла новое физическое явление, полную противоположность сверхпроводимости. В нарушение закона Ома тонкие плёнки нитрида титана совсем не проводят ток, обеспечивая идеальную изоляцию.

Явление сверхпроводимости, до сих пор остающееся загадочным для большинства из нас, обусловлено упорядочением индивидуальных параметров частиц на макроскопическом масштабе. Что-то подобное встречается в магнетизме - например, магнитные свойства железа обусловлены тем, что индивидуальные магнитные моменты его атомов выстраиваются в одном направлении.

В сверхпроводниках упорядочению подвергаются квантовомеханические параметры электронов, в результате чего индивидуальные в нормальном состоянии носители заряда в сверхпроводящем состоянии становятся частью огромного коллектива спаренных частиц, ведущих себя как одна огромная квантовомеханическая система и единообразно откликаются на различные внешние воздействия.

Сверхпроводимость и теория БКШ

Способность любого электрона перемещаться и, следовательно, поддерживать электрический ток ограничивается его столкновениями с решеткой, а также с атомами примесей в твердом теле. Чтобы в проводнике существовал ток электронов, к нему должно быть приложено напряжение; это значит, что проводник имеет электрическое сопротивление. Если же проводник находится в сверхпроводящем состоянии, то электроны проводимости объединяются в единое макроскопически упорядоченное состояние, в котором они ведут себя уже как «коллектив»; на внешнее воздействие реагирует также весь «коллектив». Столкновения между электронами и решеткой становятся невозможными, и ток, однажды возникнув, будет существовать и в отсутствие внешнего источника тока (напряжения). Сверхпроводящее состояние возникает скачкообразно при температуре, которая называется температурой перехода. Выше этой температуры металл или полупроводник находится в нормальном состоянии, а ниже ее – в сверхпроводящем. Температура перехода данного вещества определяется соотношением двух «противоположных сил»: одна стремится упорядочить электроны, а другая – разрушить этот порядок.

Исторический путь развития теорий сверхпроводимости был тернист, на данный момент считается, что лучше всего сверхпроводимость металлов и керамик описывается теорией БКШ (Бардина – Купера – Шриффера), за которую эти были удостоены в 1972 Нобелевской премии по физике.
В 1956 Купер из Иллинойсовского университета показал, что если электроны притягиваются друг к другу, то, сколь бы слабым ни было это притяжение, они должны «конденсироваться» в связанное состояние. Можно предположить, что это связанное состояние и есть искомое сверхпроводящее состояние. Как представлял себе Купер, такое притяжение возможно между двумя электронами и должно приводить к образованию связанных пар (получивших название куперовских), перемещающихся в кристаллической решетке.

Но еще в 1950 Г.Фрелих высказал предположение, что электроны могут притягиваться друг к другу за счет взаимодействия с атомами решетки. Этот механизм притяжения называется электрон-фононным взаимодействием; он состоит в следующем. Электрон, движущийся в кристаллической решетке, как бы искажает ее. Это обусловлено взаимодействием между отрицательно заряженными электронами и положительно заряженными атомами решетки. Движущийся через решетку электрон «сближает» ее атомы. Второй электрон затем втягивается в «суженную область» под усиленным действием положительного заряда. Энергия первого электрона, затрачиваемая на «деформацию решетки», передается без потерь второму члену куперовской пары. Такая пара движется по решетке, обмениваясь энергией через атомы решетки, но не теряя при этом своей энергии в целом.

Такое взаимодействие в какой-то мере аналогично поведению двух тяжелых шариков на резиновой мембране. Когда один шарик катится, он прогибает мембрану так, что второй шарик следует в его «кильватере». Электроны, будучи одноименно заряжены, в отличие от шариков взаимно отталкиваются. Однако это взаимное отталкивание оказывается сильным только тогда, когда электроны находятся очень близко друг к другу, и быстро уменьшается по мере их удаления. Во взаимодействии с участием решетки, или электрон-фононном взаимодействии, электроны достаточно удалены друг от друга (на расстояние порядка 5x10^–7–10^–4 см). На таких расстояниях отталкивание электронов мало по сравнению с электрон-фононным взаимодействием, в результате чего электроны эффективно притягиваются друг к другу.

С другой стороны, легко представить себе, что искажение решетки, создаваемое одной куперовской парой, могло бы нарушить притяжение в других парах, однако авторы теории БКШ показали, что пары электронов образуют когерентное состояние, в котором все они имеют один и тот же импульс. О таких парах говорят, что эти когерентные электроны находятся в едином квантовом состоянии; они образуют так называемую квантовую, или сверхтекучую, жидкость.

В последнем выпуске Nature появилась статья, описывающая проявление упорядочения, приводящее к возникновению явления, которое авторы назвали сверхсопротивлением.

Это означает, что материал, проявляющий сверхпроводящие свойства, в определенных условиях попросту перестает проводить электричество, становясь идеальным изолятором.

Авторы работы подчеркивают большую корректность слова «антисверхпроводимость» в случае их эффекта, а не «сверхсопротивление»: явление нулевой проводимости может быть обнаружено в определенных условиях только на сверхпроводящих материалах. Впрочем, оба термина допустимы.

Новое физическое явление ученые из Института физики пулупроводников в Новосибирске и американской Национальной лаборатории в Аргонне во главе с Татьяной Батуриной и Валерием Винокуром наблюдали на тонких пленках нитрида титана (TiN). Эксперимент провели в Университете Регенсбурга Татьяна Батурина и Алексей Миронов, а теоретическое объяснение антисверхпроводимости нашёл Валерий Винокур.

В данном случае речь идет о двумерной системе сверхпроводящих участков, разделенных изолирующей матрицей. Как пояснил «Газете.Ru» сам Винокур, электропроводность подобного рода материалов сильно зависит от толщины пленки. При этом существует определённок критическое значение этого параметра. При толщине меньше критической подобные материалы ни при каких температурах не могут быть сверхпроводниками и являются изоляторами. При переходе через эту граничную толщину они претерпевают так называемый квантовый фазовый переход и способны стать сверхпроводниками при понижении температуры.

Интересы ученых и были сосредоточены как раз на этой тонкой границе перехода. Они изучали пленки, по толщине лишь чуть-чуть «не дотягивающие» до границы сверхпроводимости. В этом случае нитрид титана является обычным изолятором с высоким сопротивлением. Но как только его температура понижается до, примерно, 0,04 градусов выше абсолютного нуля, сопротивление материала резко увеличивается. Насколько - точно сказать нельзя, так как измерить его не удалось. Речь идёт по меньшей мере о сотнях тысяч раз.

Такой переход материала с конечным сопротивлением к материалу с сопротивлением, не поддающимся измерению, и был назван переходом в сверхизолирующее или антисверхпроводящее состояние.

Включение магнитного поля ещё более понижает температуру такого «сверхизоляторного» перехода. Более того, слишком сильное магнитное поле вообще разрушает сверхизолятор - в замечательном соответствии со сверхпроводимостью, где магнитные поля, превышающие так называемое критическое значение уничтожают сверхпроводящее состояние!

«Механизм перехода материала в сверхизолирующее состояние можно назвать зеркальным по отношению к механизму перехода в сверхпроводящее состояние», - сказал Винокур.

Согласно модели авторов статьи в Nature, виновата в таком поведении гибридная структура материала. Сверхпроводящие «лужицы» в нём разделены между собой непроводящими участками - барьерами, называемыми мостиками, или переходами Джозефсона. Эти островки настолько малы, что появление на нём даже одной «лишней» пары электронов (в сверхпроводящем состоянии электроны объединяются в так называемые куперовские пары) создает электрические силы, ставящие огромный барьер для последующих частиц. Это явление называется «кулоновской блокадой» и именно оно является ответственным за изоляторные свойства исследуемых плёнок нитрида титана.

Чтобы понять, что приводит к дальнейшему росту сопротивления в сотни тысяч раз при переходе в сверхизолятор, нам придется взглянуть на систему с позиций квантовой механики, так как здесь, как и в случае сверхпроводимости, речь идет об упорядочении квантовых величин на макроскопическом уровне.

В случае сверхпроводника, огромное количество электронных куперовских пар становится частью невообразимо большого ансамбля, все участники которого коллективно откликаются на внешние воздействия. С позиций квантовой механики это означает, что все электронные пары каждого островка сверхпроводимости в нитриде титана описываются одной волновой функцией - функцией, наиболее полно вероятностно описывающей поведение квантовомеханической системы.

Волновая функция и соотношение неопределённостей

комплексная функция, описывающая состояние квантовомеханической системы. Е знание позволяет получить максимально полные сведения о системе, принципиально достижимые в микромире. Так с е помощью можно рассчитать все измеряемые физические характеристики системы, вероятность пребывания е в определенном месте пространства и эволюцию во времени. Волновая функция может быть найдена в результате решения волнового уравнения Шредингера.

В качестве независимых переменных волновой функции вместо координат частиц x, y, z могут быть выбраны их импульсы px, py, pz или другие наборы физических величин. Этот выбор зависит от представления (координатного, импульсного или другого). Волновая функция частицы не учитывает ее внутренних характеристик и степеней свободы, т. е. описывает ее движение как целого бесструктурного (точечного) объекта по некой траектории (орбите) в пространстве. Этими внутренними характеристиками частицы могут быть е спин, спиральность, изоспин (для сильновзаимодействующих частиц), цвет (для кварков и глюонов) и некоторые другие. Внутренние характеристики частицы задаются специальной волновой функцией е внутреннего состояния.



Принцип неопределнности Гейзенберга — в квантовой физике так называют закон, который устанавливает ограничение на точность (почти) одновременного измерения переменных состояния, например, положения и импульса частицы. Кроме того, он точно определяет меру неопределнности, давая нижний (ненулевой) предел для произведения дисперсий измерений.

Рассмотрим, например, серию следующих экспериментов: путм применения оператора, частица приводится в определнное чистое состояние, после чего выполняются два последовательных измерения. Первое определяет положение частицы, а второе, сразу после этого, е импульс. Предположим также, что процесс измерения (применения оператора) таков, что в каждом испытании первое измерение дат то же самое значение, или по крайней мере набор значений с очень маленькой дисперсией dp около значения p. Тогда второе измерение даст распределение значений, дисперсия которого dq будет обратно пропорциональна dp.

В терминах квантовой механики, процедура применения оператора привела частицу в смешанное состояние с определнной координатой. Любое измерение импульса частицы обязательно приведт к дисперсии значений при повторных измерениях. Кроме того, если после измерения импульса мы измерим координату, то тоже получим дисперсию значений.

В более общем смысле, соотношение неопределнности возникает между любыми переменными состояния, определяемыми некоммутирующими операторами. Это – один из краеугольных камней квантовой механики, который был открыт Вернером Гейзенбергом в 1927 году.

Волновая функция может рассматриваться как комплексное число, характеризуемое модулем и фазой. Квадрат модуля волновой функции - это просто плотность чатиц в данной точке. Модуль и фаза являются так называемыми квантово сопряженными величинами, которые, согласно принципу неопределенности, нельзя измерить одновременно. В сверхпроводящем ансамбле куперовских пар, волновая функция имеет определенную фазу, которую, в принципе, можно измерить. Это означает, что плотность, то есть заряд сверхпроводящего ансамбля не определен, что и является физической причиной течения тока без тепловых потерь.

«В более простой интерпретации это значит, что мы не можем измерить протекающий через проводник заряд, зная, что он находится в сверхпроводящем состоянии» - пояснил Валерий Винокур.

В островковой структуре эффект кулоновской блокады приводит к тому, что, в принципе, заряд перескакивающий между островками может быть измерен. В результате, на каждом островке возникают независимые друг от друга флуктуации фазы волновой функции, которые вызывают флуктуирующие электрические поля. Ключевым теперь является эффект синхронизации: фазы на разных островках подлаживаются друг под друга так, что все электрические поля островков складываются и делают движение заряда полностью невозможным.

Это - новый эффект коллективной кулоновской блокады который и есть причина появления сверхизоляторного или антисверхпроводящего состояния.

Комментарий Михаила Фейгельмана

Эта публикация в Nature представляет собой характерный пример разложения международного научного сообщества, которому очень сложно, но необходимо противостоять. Разумеется, журналисты gazeta.ru не имели шансов понять, с чем они тут столкнулись.

Будучи знаком с предметом очень детально (как работающий в той же области специалист), привожу ниже детальный комментарий.

1. Эксперименты новосибирской группы во главе с Батуриной действительно очень ценны. Надо только на всякий случай иметь в виду, что само по себе явление «сверхизолятора» было обнаружено несколько лет назад группой из Института Вейцмана (Израиль) на другом веществе (оксид индия вместо нитрида титана) и в присутствии магнитного поля (которое переводило это вещество из сверхпроводящего состояния в диэлектрическое). В остальном результаты чрезвычайно похожи. Первая статья группы Батуриной (с практически теми же экспериментальными результатами) опубликована недавно в Physical Review Letters и содержит необходимые ссылки на предшественников. По какой причине они исчезли из текста в Nature - могу лишь догадываться. Всем известным мне специалистам, работающим в этой области, очевидно что эксперименты Батуриной есть не «открытие нового состояния вещества», а важное продвижение в исследовании этого «состояния» - что тоже очень хорошо! Только не надо претендовать на лишнее.

2. «Теория» обнаруженного явления, развитая и успешно разрекламированная В.Винокуром, представляет собой чистое недоразумение. Не имея возможности входить в данном комментарии в технические детали, понятные лишь специалистам, отмечу следующее. Во-первых, теоретическая модель, примененная для описания исследованного явления, ничем не обоснована. По существу исследуется не та задача, какая действительно поставлена обсуждаемым экспериментом, а совсем иная модель, которую проще сосчитать, но которая принципиально отличается от реального объекта, с которой работала группа Батуриной. Во-вторых, у специалистов имеются большие сомнения по поводу верности решения даже и самой этой упрощенной модели. Обычно требуются очень серьезные причины для того, чтобы физик-теоретик стал детально разбирать вычисления в чужой работе, которая представляется явно неверной - времени жалко, прежде всего. Куда интереснее сделать нечто новое, нежели искать конкретную вычислительную ошибку в чужой работе, будучи уверен что она там есть. Тем более что вообще-то эту работу должны были сделать рецензенты Nature - но не сделали.
Вполне возможно, что поднятый вокруг этой «теории» шум заставит-таки специалистов заняться малоприятным делом вылавливания «чужих блох» - в целях поддержания необходимого для существования науки уровня санитарии и гигиены.

3. Трудно понять из текста заметки в gazeta.ru кому - В.Винокуру или журналистам - принадлежит заключительный ударный пассаж про «саморазряд батарей». В любом случае, это нечто такое, что в современном русском языке обозначается словом «беспредел». Достаточно заметить, что все описываемые явления происходят при абсолютных температурах менее 0.1 градуса Кельвина. Пора все-таки отказываться от чрезвычайно пошлой манеры за уши притаскивать к обсуждению интересных научных вопросов обязательное «применение в народном хозяйстве» - даже в тех случаях, когда его и на горизонте не видно. Это, впрочем, тоже болезнь не чисто отечественная, но вполне международно распространенная.

«Это явление так же можно выразить в более простых словах, - сказал Валерий Винокур. - Говоря иначе, в состоянии антисверхпроводимости материал обладает гигантской поляризуемостью, то есть каждый сверхпроводящий островок становится электрическим диполем, вектор напряженности поля которого сонаправлен с вектором всех остальных островков, и противоположен по направлению вектору внешнего элеткрического поля. Потому заряд перемещаться в пленке просто не может».

Новое явление - из редкого в наши дни класса неожиданных открытий.

Это не продолжающиеся уже несколько десятилетий поиски теоретически давно предсказанных частицы Хиггса или горизонта событий чёрных дыр. В данном случае Винокуру и его коллегам пришлось искать объяснение явлению, обнаруженному ими в лаборатории. И своё объяснение они продолжают называть всего лишь «моделью».

«Открытие явления антисверхпроводимости явилось результатом долгого и кропотливого исследования, которое многим казалось совершенно бесперспективным. И в тоже время, как наверное и всякое открытие, оно произошло вследствие стечения счастливых обстоятельств. Открытием этим мы всецело обязаны систематической и вдохновенной работе Татьяны Батуриной, сотруднице Новосибирского института физики полупроводников, одной из авторов публикации в Nature» - говорит Винокур.

Как говорит Винокур, явление, обнаруженное его командой, интересно в первую очередь с фундаментальной точки зрения и его усилия в настоящее время сосредоточены на дальнейшем его изучении, однако, как и сверхпроводники, сверхизоляторы обладают и вполне конкретной, бытовой, что называется, полезностью. Вполне возможно, что применение сверхизолирующих материалов позволит избежать саморазряда батарей - головной боли всех производителей химических источников тока.