Неразгаданная тайна высокотемпературной сверхпроводимости.

Введение

Сверхпроводящие материалы, необъяснимые существующими общепринятыми теориями.

Необычные сверхпроводники – это материалы, демонстрирующие сверхпроводимость, не соответствующую стандартной теории БКШ или её расширениям.

Продолжающиеся исследования

После более чем двадцати лет интенсивных исследований происхождение высокотемпературной сверхпроводимости все еще остается неясным, являясь одной из главных нерешенных проблем теоретической физики конденсированного состояния. Однако, похоже, что вместо механизмов электрон-фононного притяжения, как в обычной сверхпроводимости, действуют истинно электронные механизмы (например, антиферромагнитные корреляции). Кроме того, вместо s-волнового спаривания значимы d-волны. Одной из целей многих исследований является достижение сверхпроводимости при комнатной температуре. Несмотря на интенсивные исследования и множество многообещающих результатов, объяснение пока не найдено. Одна из причин этого заключается в том, что рассматриваемые материалы, как правило, очень сложные многослойные кристаллы (например, BSCCO), что затрудняет теоретическое моделирование.

Возможные механизмы

Наиболее спорной темой в физике конденсированного состояния является механизм высокотемпературной сверхпроводимости (HTS). Существует две основные теории, объясняющие HTS. (См. также теорию резонансных валентных связей)

Теория слабого сцепления

Во-первых, было предложено, что высокотемпературная сверхпроводимость (HTS) возникает из-за антиферромагнитных спиновых флуктуаций в допированной системе. Согласно этой теории слабого взаимодействия, волновая функция спаривания в HTS должна обладать симметрией dx2−y2. Таким образом, установление того, является ли симметрия волновой функции спаривания d-симметрией, имеет решающее значение для понимания механизма HTS в контексте спиновых флуктуаций. Иными словами, если параметр порядка HTS (волновая функция спаривания) не имеет d-симметрии, то механизм спаривания, связанный со спиновыми флуктуациями, можно исключить. Эксперименты с туннельным эффектом (см. ниже) указывают на наличие d-симметрии в некоторых HTS.

Модель межслойной сцепки

Во-вторых, существует модель межслойного взаимодействия, согласно которой слоистая структура, состоящая из сверхпроводника BCS-типа (s-симметрии), способна усиливать сверхпроводимость сама по себе. Вводя дополнительное туннельное взаимодействие между слоями, эта модель успешно объяснила анизотропную симметрию параметра упорядочения в высокотемпературных сверхпроводниках (ВТСП), а также само возникновение ВТСП. Для решения этой неразрешенной проблемы было проведено множество экспериментов, таких как фотоэлектронная спектроскопия, ЯМР, измерения удельной теплоемкости и другие. К сожалению, результаты оказались неоднозначными: одни исследования подтверждали d-симметрию для ВТСП, а другие – s-симметрию. Эта неопределенность, вероятно, связана с косвенным характером экспериментальных доказательств, а также с экспериментальными трудностями, такими как качество образцов, рассеяние примесей, двойники и т.п.

Суперобмен

Перспективные экспериментальные результаты, полученные различными исследователями в сентябре 2022 года, в том числе Вэйцзюном Ченом, Дж. С. Сеамусом Дэвисом и Х. Эйсиаки, показали, что сверхобмен электронов, вероятно, является наиболее вероятной причиной высокотемпературной сверхпроводимости.

Предыдущие исследования по симметрии параметра порядка HTS

Симметрия параметра порядка высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) была изучена в измерениях ядерного магнитного резонанса и, в последнее время, с помощью фотоэмиссионной спектроскопии с угловым разрешением и измерений глубины проникновения микроволн в кристалле ВТСП. Измерения ЯМР исследуют локальное магнитное поле вблизи атома и, следовательно, отражают восприимчивость материала. Они представляют особый интерес для ВТСП, поскольку многие исследователи задавались вопросом, могут ли спиновые корреляции играть роль в механизме ВТСП. Измерения ЯМР частоты резонанса на YBCO показали, что электроны в медноокисных сверхпроводниках образуют пары в спиновых синглетных состояниях. Это заключение было сделано на основе поведения сдвига Найта – сдвига частоты, возникающего при разнице между внутренним и приложенным магнитным полем. В нормальном металле магнитные моменты электронов проводимости вблизи исследуемого иона выравниваются с приложенным полем, создавая более сильное внутреннее поле. При переходе в сверхпроводящее состояние электроны с противоположными спинами объединяются в синглетные пары. В анизотропных ВТСП измерениями ЯМР было обнаружено, что скорость релаксации для меди зависит от направления приложенного статического магнитного поля, причем она выше, когда поле параллельно одной из осей плоскости оксида меди. В то время как это наблюдение одной группы подтверждало d-симметрию ВТСП, другие группы не смогли его воспроизвести. Кроме того, симметрию параметра порядка ВТСП можно изучать, измеряя глубину проникновения. Глубина проникновения микроволн определяется сверхжидкостной плотностью, ответственной за экранирование внешнего поля. В s-волновой теории БКШ, поскольку пары могут быть тепловозбуждены через энергетическую щель Δ, изменение сверхжидкостной плотности на единицу изменения температуры описывается экспоненциальной зависимостью, exp(Δ/kBT). В этом случае глубина проникновения также экспоненциально зависит от температуры T. Если в энергетической щели присутствуют узлы, как в ВТСП с d-симметрией, электронные пары могут легче распадаться, сверхжидкостная плотность должна иметь более сильную температурную зависимость, и глубина проникновения, как ожидается, будет возрастать как степень T при низких температурах. Если симметрия имеет вид dx2-y2, то глубина проникновения должна линейно зависеть от T при низких температурах. Этот метод все шире используется для изучения сверхпроводников, но его применение ограничено, главным образом, качеством доступных монокристаллов. Фотоэмиссионная спектроскопия также может предоставить информацию о симметрии ВТСП. Рассеивая фотоны на электронах в кристалле, можно исследовать энергетический спектр электронов. Поскольку метод чувствителен к углу вылета электронов, можно определить спектр для различных волновых векторов на поверхности Ферми. Однако, при разрешении угловой фотоэмиссионной спектроскопии (УФЭС), исследователям не удалось установить, обнуляется ли щель или просто становится очень малой. Кроме того, УФЭС чувствительна только к величине, но не к знаку щели, поэтому она не может определить, становится ли щель отрицательной в какой-либо момент. Это означает, что УФЭС не может установить, имеет ли параметр порядка ВТСП d-симметрию или нет.

The symmetry of the HTS order parameter has been studied in nuclear magnetic resonance measurements and, more recently, by angle resolved photoemission and measurements of the microwave penetration depth in a HTS crystal. NMR measurements probe the local magnetic field around an atom and hence reflect the susceptibility of the material. They have been of special interest for the HTS materials because many researchers have wondered whether spin correlations might play a role in the mechanism of the HTS. NMR measurements of the resonance frequency on YBCO indicated that electrons in the copper oxide superconductors are paired in spin singlet states. This indication came from the behavior of the Knight shift, the frequency shift that occurs when the internal field is different from the applied field: In a normal metal, the magnetic moments of the conduction electrons in the neighborhood of the ion being probed align with the applied field and create a larger internal field. As these metals go superconducting, electrons with oppositely directed spins couple to form singlet states. In the anisotropic HTS, perhaps NMR measurements have found that the relaxation rate for copper depends on the direction of the applied static magnetic field, with the rate being higher when the static field is parallel to one of the axes in the copper oxide plane. While this observation by some group supported the d symmetry of the HTS, other groups could not observe it. Also, by measuring the penetration depth, the symmetry of the HTS order parameter can be studied. The microwave penetration depth is determined by the superfluid density responsible for screening the external field. In the s wave BCS theory, because pairs can be thermally excited across the gap Δ, the change in superfluid density per unit change in temperature goes as exponential behavior, exp( Δ/kBT). In that case, the penetration depth also varies exponentially with temperature T. If there are nodes in the energy gap as in the d symmetry HTS, electron pair can more easily be broken, the superfluid density should have a stronger temperature dependence, and the penetration depth is expected to increase as a power of T at low temperatures. If the symmetry is specially dx2 y2 then the penetration depth should vary linearly with T at low temperatures. This technique is increasingly being used to study superconductors and is limited in application largely by the quality of available single crystals. Photoemission spectroscopy also could provide information on the HTS symmetry. By scattering photons off electrons in the crystal, one can sample the energy spectra of the electrons. Because the technique is sensitive to the angle of the emitted electrons one can determine the spectrum for different wave vectors on the Fermi surface. However, within the resolution of the angle resolved photoemission spectroscopy (ARPES), researchers could not tell whether the gap goes to zero or just gets very small. Also, ARPES are sensitive only to the magnitude and not to the sign of the gap, so it could not tell if the gap goes negative at some point. This means that ARPES cannot determine whether the HTS order parameter has the d symmetry or not.

Эксперимент с переходом, подтверждающий симметрию д-волн

Была разработана продуманная экспериментальная схема для преодоления неоднозначной ситуации. Эксперимент, основанный на парном туннелировании и квантовании потока в трехзерновом кольце YBa2Cu3O7 (YBCO), был разработан для проверки симметрии параметра порядка в YBCO. Такое кольцо состоит из трех кристаллов YBCO с определенной ориентацией, соответствующей d-волновой симметрии спаривания, что приводит к спонтанному возникновению полуцелого квантового вихря в точке соприкосновения трикристалла. Кроме того, в этом трикристальном эксперименте учитывалась возможность того, что границы переходов могут быть в пределе чистоты (без дефектов) или с максимальным зигзагообразным беспорядком. В первом эксперименте по исследованию симметрии спаривания трикристаллов Цуэй, Киртли и др. также продемонстрировали, что в тетрагональном Tl2Ba2CuO6 наблюдается чистая симметрия параметра порядка dx2 y2.