Ученые Центра совместно с Университетами Бразилии создают новую теорию высокотемпературной сверхпроводимости

Российские и бразильские физики приступили к совместной разработке новой теории высокотемпературной сверхпроводимости, которая позволит объяснить природу недавно открытых сверхпроводников с множественными конденсатами, а также так называемых топологических сверхпроводников. О том, как будет складываться сотрудничество, рассказали профессор Федерального университета Рио-де-Жанейро Мауро Дориа и директор Центра квантовых метаматериалов МИЭМ НИУ ВШЭ Алексей Вагов.

«Мы начали сотрудничество с бразильскими коллегами еще в начале 2000-х, а после появления новых сверхпроводников взаимный интерес к сотрудничеству усилился. Это связано с тем, что у нас возникла общая идея, что существование всех этих новых материалов и те их необычные свойства, которые недавно открыли наши коллеги-экспериментаторы, можно объяснить одной теорией, которую мы сейчас активно разрабатываем», — пояснил профессор Вагов.

Алексей Вагов, фото: Михаил Дмитриев / Высшая школа экономики

Как надеются ученые, разрабатываемая ими теория позволит объяснить существование и свойства сразу нескольких недавно открытых типов сверхпроводников. В их число входят материалы на базе соединений водорода и различных металлов и других элементов, а также так называемые многозонные сверхпроводники, в которых существует несколько сверхпроводящих конденсатов.

Еще одним примером этих новых материалов являются так называемые топологические сверхпроводники, приповерхностный слой которых обладает нулевым сопротивлением. По словам профессора Дориа, сам факт существования подобных соединений требует нового теоретического объяснения их сверхпроводящих свойств, так как классическая теория сверхпроводимости, сформулированная еще в середине прошлого века Джоном Бардином, Леоном Купером и Джоном Шриффером (теория БКШ), не допускает их наличия.

«Моя главная задача заключается в том, чтобы убедить моих российских коллег, что существование и природу топологических изоляторов и сверхпроводников, одних из самых обсуждаемых материалов в сфере физики конденсированных сред, можно объяснить в рамках теории, которая была разработана много лет назад Алексеем Абрикосовым и Евгением Богомольным», — отметил профессор Дориа.

По его словам, теория, разработанная Абрикосовым в 1957 году для описания магнитных свойств сверхпроводящих сплавов и природы так называемых сверхпроводников второго рода, способна объяснить существование многих новых типов сверхпроводников при незначительном ее расширении, в том числе при добавлении в нее концепции наличия спина у частиц, участвующих в движении тока.

Новое приложение для старых теорий

«Старые идеи Абрикосова, Гинзбурга и Ландау можно повернуть таким образом, чтобы они объяснили природу топологических изоляторов и сверхпроводников с множественными конденсатами. Это совершенно новое направление, которое только сейчас начало активно исследоваться и на практическом, и на теоретическом уровне. Мы надеемся, что мы сможем объяснить многие из этих феноменов», — добавил профессор Вагов.

При этом профессор Дориа подчеркнул, что он не исключает того, что для объяснения природы всех типов сверхпроводников могут потребоваться и другие теоретические идеи, которые сейчас разрабатываются научным сообществом. По его мнению, физики должны вести и теоретические, и практические исследования по всем возможным направлениям, так как сейчас пока нельзя сказать, какие теории и какие типы сверхпроводников будут самыми успешными.

Мауро Дориа, фото: Михаил Дмитриев / Высшая школа экономики

«В данном случае мне больше всего нравится идея итальянского экономиста Вильфредо Парето, который говорил о том, что 20% успешных проектов отбивают 80% неудачных вложений. Можно сказать, что все новые типы сверхпроводников, в том числе полигидриды, купраты, железные и топологические сверхпроводники, являются своеобразными яйцами в одной корзине. Мы надеемся, что одно из них проклюнется и породит сверхпроводник, работающий при комнатных температурах и давлениях», — пояснил бразильский физик.

По словам профессора Дориа, многовекторное развитие теории сверхпроводимости и ее практических приложений особенно важно в контексте того, что разные типы ныне разрабатываемых высокотемпературных сверхпроводников будут иметь совершенно разные практические применения, связанные с особенностями физических свойств подобных материалов.

«Сверхпроводники найдут самое широкое применение в разных отраслях экономики, начиная с доставки электроэнергии в города и заканчивая микроэлектроникой. В первом случае нам нужна способность переносить большие количества электроэнергии без потерь, а во втором важно наличие возможности управлять спином носителей заряда. Для решения первой задачи лучше подойдут, к примеру, сверхпроводники на базе полигидридов, а для микроэлектроники лучше подходят топологические сверхпроводники», — объясняет бразильский исследователь.

Союз теории и практики

Для решения этих задач, по словам Дориа, потребуются как совместные теоретические изыскания российских и бразильских физиков, так и практические эксперименты. Они необходимы не только для проверки теорий, но и для поиска новой пищи для ума, в том числе ранее неизвестных феноменов, которые могут подсказать теоретикам, как работают и где можно применять новые сверхпроводники, даже если сами эти опыты не приведут к конкретным результатам.

«В 1988 году на мартовской физической конференции в Нью-Йорке были представлены, как тогда всем казалось, первые высокотемпературные керамические сверхпроводники на базе купратов. После их открытия все были уверены в том, что мы получим первые “комнатные” сверхпроводники в ближайшие годы. Прошло более трех десятков лет, этого пока не произошло, однако исследования купратов принесли нам массу сведений о том, как устроены сверхпроводники. Многие термины, которые мы сейчас используем для объяснения их свойств, два-три десятилетия назад просто не существовали», — пояснил бразильский исследователь.

В соответствии с этими принципами, как отметил профессор Вагов, российские ученые и их зарубежные партнеры будут активно проводить различные практические исследования свойств топологических сверхпроводников, а также других новых сверхпроводящих материалов, которые могут стать основой для электронных приборов нового поколения.

«Исследователи уже сейчас проводят опыты по созданию и изучению подобной электроники. Фактически наша лаборатория сейчас объединяет в себе силы специалистов НИЯУ МИФИ, ВШЭ, МФТИ, и мы хотим возобновить старые связи с Бразилией, что приведет к созданию большого научного центра, где будут объединяться и взаимодействовать разные идеи», — пояснил профессор Вагов.

По его словам, в Россию приедут молодые бразильские специалисты для работы в рамках Центра квантовых метаматериалов МИЭМ НИУ ВШЭ. Эти исследователи будут совместно с российскими коллегами работать над созданием новой теории сверхпроводимости и ее практическими приложениями при разработке микроэлектроники.

Как отметил профессор Вагов, эти теоретические исследования и практические опыты будут нацелены в первую очередь на изучение свойств новых сверхпроводящих материалов, в том числе и тех, в которых существует несколько конденсатов и которые обладают при этом нетривиальной топологией. Первые результаты этих теоретических и практических трудов ученые надеются представить публике уже в ближайшее время.

Дата публикации: 25.01.2024

Автор: Александр Телишев, специально для HSE Daily