Влияние беспорядка и примесей на сверхпроводящие свойства материалов

Координатор проекта: Кроитору М.Д.
Сотрудники центра:  Вагов А.В., Красавин А.В., Лукьянов А.Е., Неверов В.А., Шаненко А.А.,
Внешнее сотрудничество: Чен Я.

Предмет и цель исследований:

Взаимосвязь между беспорядком и сверхпроводимостью – очень интересное и интригующее явление в физике конденсированного состояния. Хорошо известно, что обычные сверхпроводники с однородным параметром порядка нечувствительны к небольшой концентрации немагнитных примесей. Это свойство известно как теорема Андерсона. В режиме сильного беспорядка происходит разрушение сверхпроводимости и даже переход сверхпроводник – изолятор. Между этими предельными случаями может возникнуть наиболее интересный режим, где беспорядок даже усиливает сверхпроводимость, что наблюдается в некоторых сплавах или гранулированных материалах. Механизмы этого усиления до настоящего времени не совсем ясны и активно исследуются.

Mногие свойства материалов с беспорядком можно понять, только если принять во внимание тот факт, что в природе беспорядок почти никогда не бывает полностью случайным. В реальных материалах положение примесей и дефектов коррелирует между собой, и часто – достаточно сильно. Эта корреляция может оказывать критическое влияние на свойства материалов. Во многих материалах, от сегнето- и термоэлектриков до фотоэлектрических перовскитов и ионных проводников, корреляция беспорядка или даже просто коррелированное отклонение от идеальной периодичности кристалла играет ключевую роль в их функциональности (примеры физических систем с коррелированным беспорядком приведены в Приложении).

Фокус современных исследований материалов все чаще сосредоточен на получении именно таких их свойств, которые являются следствием коррелированного беспорядка. Ожидается, что это позволит получить функциональные свойства, недостижимые в обычных кристаллических структурах и системах, где беспорядок абсолютно случаен. Однако до настоящего момента такие исследования практически не затронули область сверхпроводимости. Частично это объясняется отсутствием теоретических методов, способных адекватно описывать сверхпроводимость в присутствии сильного и, при этом, коррелированного беспорядка. Исследования, проводящиеся  в нашем Центре заполняют этот значимый пробел в физике сверхпроводников.


Последние результаты и публикации:


Беспорядок с длиннорадиусными корреляциями для улучшения сверхпроводящих свойств

Как известно, в реальных материалах положения примесей и дефектов коррелируют друг с другом. Было показано, что эти корреляции оказывают сильное влияние на сверхпроводимость, делая ее более надежной и менее чувствительной к потенциалу беспорядка. Тем самым подтверждено, что сверхпроводящие свойства можно контролировать не только общей плотностью примесей и дефектов, но и их пространственными корреляциями.

Long-Range Correlated Disorder a Means for Enhancement of Superconductivity
V.D. Neverov, A.E. Lukyanov, A. V. Krasavin, A. Vagov, and M. D. Croitoru
Communications Physics (2022), in press


Микроскопическое описание поверхносной сверхпроводимости

Методом уравнений Боголюбова-де Жена (БдЖ) для модели сильной связи, было продемонстрировано, что критическая температура зарождения сверхпроводимости вблизи поверхности образца может быть значительно увеличена по сравнению с ее объемным значением. Чтобы выявить этот эффект, во-первых, были использованы различные методы численного решения уравнений БдЖ, включая континуальное приближение и приближения Андерсона, и во-вторых, были выполнены расчеты для широкого диапазона параметров исследуемой системы. В памках такой модели было показано, что

- повышение критической температуры у поверхности происходит из-за квантовой интерференции различных состояний БдЖ, вносящих вклад в параметр порядка («поверхностное упорядочение» - концепция, предложенная Л. Н. Булаевским и В. Л. Гинзбургом в 1964 г.).

-  поверхностное повышение критической температуры является наибольшим, когда зона проводимости симметрична относительно уровня Ферми. Приближенная непрерывная модель, а также модель-приближение Андерсона не ухватывают основные особенности поверхностного эффекта.

-  Рассмотрение поверхностной модели БдЖ с беспорядком на поверхности и с сильной связью показывает, что обнаруженный поверхностный эффект сверхпроводимости довольно хрупок относительно шероховатости поверхности.


Microscopic description of surface superconductivity
M. D. Croitoru, A. A. Shanenko, Y. Chen, A. Vagov, and J. Albino Aguiar
Phys. Rev. B 102 (5), 054513. (2020); DOI: 10.1103/PhysRevB.102.054513