Материалы портала «Научная Россия»

Железная простота сверхпроводимости

Железная простота сверхпроводимости
Открытие сверхпроводимости давно уже отметило свой вековой юбилей, однако механизм этого явления так и оставался тайной за семью печатями. И вот недавно наметился прорыв, который может кардинально изменить будущее энергетики и не только. Сегодня мы беседу

Открытие сверхпроводимости давно уже отметило свой вековой юбилей, однако лишь недавно наметился прорыв, который может объяснить механизм этого явления и в результате кардинально изменить будущее энергетики (и не только). Доктор физико-математических наук, профессор Александр Николаевич Васильев и старший научный сотрудник Института экспериментальной минералогии РАН доцент Дмитрий Александрович Чареев рассказывают о взрывах в лаборатории и прочих своих достижениях, а также о том, почему питают такое пристрастие к селениду железа.

Там, где не ждали

А.В.: Сверхпроводимость принадлежит к числу наиболее актуальных проблем, стоящих сегодня перед физикой, всем естествознанием. Это глобальная проблема, и нельзя претендовать на то, что мы нашли механизм, который откроет дорогу к пониманию этого очень важного явления. Но мы, по сути, попытались понять, что вызывает сверхпроводимость в одном из самых важных на сегодня сверхпроводящих соединений. Все эти соединения очень разные, и мельчайшие детали в их поведении приводят к преобладанию того или другого механизма. Объект, с которым мы работали, уникален. Но тут надо оговориться: любой объект уникален. Какой ни возьмешь, он будет не похож на другой.

— Речь идет о селениде железа — соединении, которое и позволило приблизиться к разгадке механизма сверхпроводимости?

А.В.: Да, именно о нем. Вся прелесть селенида железа состоит в том, что он подкупает своей простотой. Здесь всего-навсего два химических элемента — железо и селен. Кристаллическая структура этого объекта необычайно проста. Это привлекает всех нас вот по какой причине. Обычно высокотемпературные сверхпроводники, с которых и начался какое-то время назад бум исследований сверхпроводимости, — очень сложные многокомпонентные соединения. Когда пишешь химическую формулу, она занимает целую строчку, потому что туда входит чуть ли не половина периодической системы. Исследователи в этом случае должны учитывать огромное количество факторов, которые могут повлиять на сверхпроводимость. То, что у нас есть возможность работать с простым объектом, позволяет упростить решение задачи, исключить какие-то факторы — дефекты, присущие многокомпонентности.

Сверхпроводимость — крайне широко распространенное явление. Около половины химических элементов демонстрируют сверхпроводимость. Это основное состояние материи при низких температурах. Но все простые сверхпроводники перебрали уже довольно давно. Как правило, требуется высокая проводимость, поэтому после металлов начали это делать на металлических соединениях. Когда их тоже перебрали, зашли в некий тупик. Вкладываются огромные средства, работают огромные коллективы, но температура перехода никак не становится выше 20 с небольшим градусов [по шкале Кельвина — Научная Россия].

Потом произошло совершенно поразительное явление: обнаружение сверхпроводимости там, где ее не ждали, — в сложных оксидах переходных металлов. Это целая эпоха, она заняла свое место в истории физики. Несколько лет назад японские ученые открыли сверхпроводники на основе железа — т.е. опять там, где ее не ждали. Со сверхпроводимостью, как правило, так и происходит: ее находят именно там, где не ждали. Казалось бы, магнетизм подавляет сверхпроводимость: приложил магнитное поле — сверхпроводимость исчезла. А тут самый лучший магнетик — железо. Тем удивительнее, что именно в сверхпроводниках на основе этого элемента обнаружилась сверхпроводимость, причем тоже высокотемпературная.

На первый взгляд, селенид железа — самый неинтересный из всех железных сверхпроводников, потому что у него самая маленькая температура перехода. В каких-то сверхпроводниках на основе железа можно достичь и 30, и 40, и 50 градусов, а здесь всего-навсего 8–9. Но простота — лишь одно из преимуществ этого соединения. Второе — его удивительная чувствительность к внешним воздействиям. Выяснилось, что, если приложить к нему давление, температура перехода беспрецедентным образом повышается. А если сделать этот объект в виде тонкой пленки, как знаменитый графен, то температура перехода достигает уже 100 градусов. А это очень важно, потому что можно выйти за границу температуры кипения жидкого азота.

— Этот результат уже реально получен?

А.В.: Да, и это просто потрясающе, потому что открывает удивительные перспективы. Тем более что пленочные технологии как раз и имеют потенциал для использования.

Методом проб и взрывов

А.В.: Теперь от глобальных проблем перейдем к нашей деятельности. Мы с Дмитрием Чареевым сотрудничаем довольно давно. У Института экспериментальной минералогии РАН и МГУ есть совместная лаборатория. И Дмитрий Александрович разработал свою собственную методику, про которую он сам расскажет.

Д.Ч.: Почему мы начали именно с селенида железа? Во-первых, была востребована его простота, во-вторых, благодаря этой простоте удалось действительно получить хороший образец. Все остальные железные проводники гораздо сложнее химически, и трудно получить хороший однофазный образец.

Метод, который мы используем, известен давно, еще с XIX в. Называется он раствор-расплавным методом. Таким методом были получены и драгоценные камни, и многие другие кристаллы.

Исторически сложилось, что в XIX в. ученые использовали печи металлургических заводов. Они нагревали исходную смесь, а затем она охлаждалась. Из сложного расплава постепенно вырастали кристаллы какого-либо вещества. Кристалл рос в жидкости и во время своего охлаждения обрастал монослоями. Получалось, что каждый новый слой рос при своей температуре и свойства кристалла менялись, — это называется зональностью.

Когда я занялся этой проблемой, я вообще мало что понимал в раствор-расплавном методе и поэтому сделал то же самое, что делают все люди, которые работают методом газового транспорта: взял вещество при одной температуре и осадил его при другой. Получалось, что мои кристаллы слой за слоем росли при одной и той же температуре. Именно поэтому, наверное, и качество их чуть лучше, чем у монокристаллов, полученных классическим методом.

Кроме того, большинство людей использовали смеси, которые не позволяют вырастить этот кристалл, потому что просто температура плавления этих смесей выше, чем температура устойчивости кристалла. Они сначала получали какой-то другой кристалл, а потом его остаривали. Я применил очень легкоплавкую смесь на основе хлорида алюминия. После нескольких неудач, которые обычно заканчивались взрывами, через год у меня вырос первый кристалл. Теперь у меня взрывы происходят где-то каждый третий раз. Сигнализация включается здесь, я думаю, раз в месяц. Могу показать свою лабораторию. На стене — отпечаток от взрыва.

— Помимо селена рассматриваете ли вы соединения железа с другими элементами?

Д.Ч.: Сейчас пытаемся делать аналогично с другими халькогенами — серой, теллуром. Пытаемся делать изотопно чистые образцы. По крайней мере, это удается. Создать более сложные образцы пока не получается — методика, к сожалению, не та. Будем пытаться разрабатывать другие методики.

— Может, тогда и не нужно искать что-то более сложное, если простота работает?

Д.Ч.: Надо же развиваться, скучно делать один и тот же образец. Наши западные и китайские коллеги в первую очередь просят у нас селенид железа, а потом почивают на лаврах после своих публикаций. Поэтому хочется дать им что-то другое. А сейчас все мои печи заняты селенидом железа.

— Это соединение было рассмотрено только сейчас в рамках повышения температуры сверхпроводимости или оно уже было известно ранее?

А.В.: Можно говорить «бронзовый век сверхпроводимости», «железный век сверхпроводимости». Изначально железный век сверхпроводимости начался с так называемых пниктидов. Это соединения мышьяка. Природа так устроена, что если взять самые ядовитые вещества периодической системы — сурьму, мышьяк, кадмий, таллий — и смешать их, то можно ожидать какого-то успеха. Но большинство лабораторий крайне неохотно идут на синтез таких соединений. Работа с этими объектами часто сопровождается неприятными последствиями типа выпадения волос и зубов. К сожалению, среди химических элементов очень много токсичных и опасных для здоровья. Селен не так страшен, но тоже не подарок. А для запуска лаборатории, которая работает с мышьяком и таллием, нужно получать специальное разрешение. То, что селенид железа представляет большой интерес для понимания механизмов сверхпроводимости, стало ясно почти сразу, как только обнаружили это соединение.

— Когда это случилось?

А.В.: Примерно в 2008 г. усилиями японских ученых. Сначала были открыты более высокотемпературные сверхпроводники с мышьяком, потом стали понижать температуру и остановились на селениде железа. У него самая маленькая температура перехода. Очень многие ученые стали понимать, что перед ними представитель нового семейства. До этого были мышьяковые соединения, а это селенид.

Не знаю, в какой мере случайно Дмитрий Чареев начал выращивать именно селенид железа, но, наверное, все-таки не совсем случайно, потому что он накопил большой опыт именно в создании разнообразных халькогенидов —  соединений серы, теллура, селена. И это связано с опытом Дмитрия в минералогии, потому что некоторые из этих объектов присутствуют и в природе.

Д.Ч.: Тут необходимо добавить, что кроме ядовитости другие аналогичные вещества имеют еще одно неприятное качество: они моментально разлагаются на воздухе. Только селенид железа какие-то часы или сутки способен выжить в атмосферном давлении и при комнатной температуре. Все остальные распадаются буквально на глазах.

Разбор механизма

— В каком состоянии сегодня находятся исследования по селениду железа?

А.В.: Здесь был такой длительный латентный период. Ведь мы начали работать по селениду железа довольно давно и опубликовали множество статей, пытались участвовать в гонке, в которой участвуют все лаборатории мира. Но каким-то непонятным для меня образом сейчас наступает кульминация, когда почти одновременно разными группами, работающими на кристаллах Дмитрия, подаются публикации в журналы группы Nature. Сейчас опубликовано уже две статьи, одна за другой. Еще две или три находятся в печати на рассмотрении. Наступает момент, когда все группы пытаются прояснить механизм.

— Так что же это за механизм?

А.В.: Механизм сверхпроводимости — ключевая цель всех этих исследований. Цель для физиков классического толка — понимание. Есть другие цели — сделать сверхпроводящий кабель из этого материала или предложить что-нибудь на Большой адронный коллайдер, чтобы сверхпроводники делали из нашего материала, а не из традиционного. Но первое и основное — это поиски физических механизмов, которые заставляют это явление возникнуть.

Селенид железа, как и любое другое неорганическое соединение, — это просто два химических элемента, которые образовали кристаллическую решетку. Это слоистое соединение, в котором есть довольно сильное взаимодействие в слое и слабое — так называемое ван-дер-ваальсово — между слоями. С одной стороны, тот факт, что слои между собой слабо связаны, позволяет оторвать один слой, и это будет такой «модный» монослой; с другой стороны, это дает возможность их сдавливать и сильно менять свойства. Ван-дер-ваальсово взаимодействие слабо сопротивляется давлению.

В любом объекте с участием переходных металлов (а железо — это переходный металл) присутствует несколько степеней свободы. Если в степенях свободы есть электронная составляющая, а в электронах спин — собственный магнитный момент, — то это спиновая степень свободы. Электрон может занять ту или иную орбиталь — это будет орбитальная степень свободы, она связана с решеткой. И вот у нас есть целый набор взаимодействий, которые переплетены. Просто вычленить то или иное взаимодействие не получается, это надо рассматривать все вместе. И цель многих работ, которые идут параллельно, — определить, что выступает движущей силой, какая подсистема начинает путь к сверхпроводимости, с чего начинаются физические процессы, которые в конце концов приведут к сверхпроводимости.

— Если обозначить результат работы с селенидом железа, что бы вы отметили как главное?

А.В.: Была выявлена роль спиновых флуктуаций. Спиновые флуктуации стремились самоорганизоваться так, чтобы образовать струны, — в физике твердого тела их называют «страйпы». В плоскости, где находится железо, формируются такие цепочки спинов, которые самоорганизуются. Эти цепочки в свою очередь приводят к так называемому нематическому переходу. Нематика — это то, что принято обсуждать в физике жидких кристаллов, но в данном случае это потеря вращательной симметрии электронной жидкости. У нас появляются эти цепочки спинов, у нас теряется вращательная симметрия электронов. Это был первый важный факт: что спиновые флуктуации приводят к потере вращательной симметрии в электронной подсистеме, к нематическому переходу.

При дальнейшем понижении температуры было показано, что в этих страйпах формируется сильное взаимодействие, которое только нарастает при переходе в сверхпроводящее состояние. И тогда можно сделать вывод, что спиновые флуктуации сыграли ключевую роль в формировании сверхпроводимости.

Десятки тысяч физиков занимаются сверхпроводимостью. Они делятся на разные лагеря. Кто-то говорит, что ключевой механизм — фононный. Кто-то говорит, что ключевой механизм — это обмен виртуальными магнонами, т.е. спиновыми колебаниями. Я не принадлежу ни к той ни к другой группе, потому что, как мне кажется, нужно учитывать все: все степени свободы одинаково важны. Несмотря на то что в этой работе подчеркивается роль спиновых флуктуаций, на мой взгляд, малейшие вариации химического состава приведут к тому, что соотношение разных механизмов может измениться. Именно у селенида железа подчеркнута роль спиновых флуктуаций.

Революционная ситуация

— Вы говорили о температуре сверхпроводимости в 100 градусов. Означает ли это, что мы на пороге какого-то прорывного открытия или революции в энергетике?

Д.Ч.: Наверное, нет. Но я считаю, что когда человечество научится производить что-то типа гетероструктур, которые позволяют делать «сэндвичи» из сверхпроводящих и непроводящих фаз с возможностью создания химического давления и его варьирования, с возможностью изменения концентрации носителей заряда, может быть, действительно можно будет получить сверхпроводники вблизи азотных температур или даже вблизи температур земных полюсов. Но пока обычные кристаллические материалы вряд ли нам позволят добиться чего-нибудь подобного.

— То есть сделать кабель из тонкопленочного селенида железа на данный момент не представляется возможным?

А.В.: Технология нужна: необходимо иметь машины, которые будут напылять.

Д.Ч.: Да и кабель может просто не деформироваться. Любой изгиб его повредит. То же самое происходит и с нашим кабелем с селенидом железа. Но попытки были.

А.В.: Его можно защитить — например, покрыть лаком. Почему сверхпроводящие кабели, которые везде используются, успешно делают из металла? Металлы пластичны. Их можно вить в любые ленты, нити, и ничего с ними не делается. А вот так называемые ионно-ковалентные соединения хрупкие: чуть-чуть изогнешь — и сломалось. Технологии по производству сверхпроводящих кабелей замечательно работают и в России, и за рубежом, потому что это все отработано для металлов. А для ионно-ковалентных соединений нужна другая технология. Для создания пленки нужно напылительное оборудование, нужна программа. Мы только в научном плане добивались таких результатов несколько лет, а технология может потребовать еще большего времени. Результат технологии — продукт. Это то, с чем можно уже выходить на рынок. Конкретных преимуществ у селенида железа два: большое критическое поле и отсутствие ядовитых элементов в структуре.

— И все же, если пофантазировать и немного заглянуть в будущее, что нам даст широкое применение нового соединения?

А.В.: У сверхпроводников есть две очень важные характеристики. Первая — сверхпроводящая температура перехода, вторая — критическое магнитное поле. Селенид железа существенно превосходит многие другие объекты по критическому полю. С его помощью при тех же температурах можно создавать более сильные магниты. Это очень востребованная вещь.

В эту технологию нужно вкладывать много денег, потому что одно дело — изучить объект толщиной в десятую долю миллиметра и с поперечными размерами миллиметр на миллиметр. И то затрачиваются огромные деньги, поскольку все эти эксперименты с нейтронами очень дорогие. Совсем другое дело — производить продукцию, для этого требуется технология. Это отработка методов изготовления сверхпроводящих лент. Это фактически заводы.

Если говорить о перспективах, они есть в научном плане и в информационных технологиях: можно делать болометры. Это датчики теплового излучения — то, что может использоваться в космосе. А вот перспективы сделать компьютер или мобильный телефон, вставив туда селенид железа, пока что нет, поскольку это комнатная температура.

Я не знаю, находимся ли мы на пороге революции. Виталий Лазаревич Гинзбург считал, что сверхпроводимость при комнатной температуре вполне возможна, и нет механизмов, которые предотвращают ее. Если построить какой-нибудь временной график, то мы увидим, как сильно сейчас поднялась температура сверхпроводящего перехода — именно в 2015 г.

Наш скромный вклад

— Какую роль играют международные партнеры в вашей работе?

А.В.: Ключевую! Это классический пример международного сотрудничества с участием ученых из Китая, Германии, Соединенных Штатов Америки и Франции. Если отметить основные аспекты этой работы, то сначала в Ок-Риджской национальной лаборатории в США были выполнены эксперименты по упругому рассеянию нейтронов. Упругое рассеяние нейтронов — это что-то, напоминающее рентген и позволяющее понять, где находятся атомы, появились ли статические магнитные структуры. Потом следует уже особенно изысканный, высокий класс экспериментального искусства — это неупругое рассеяние нейтронов. Это делалось в двух местах: в Париже и Гренобле. Потом состоялись довольно интенсивный обмен информацией всех участников работ, обсуждение, выработка какой-то концепции. Я очень доволен, что нашу статью опубликовали.

В этом году действительно имеют место какие-то удивительные прорывные вещи. Например, группа исследователей из Майнцского университета объявила о достижении сверхпроводящего перехода при температуре 203 градуса Кельвина — это всего-навсего минус 70. Это совершенно поразительно. И снова открытие произошло там, где его не ожидали: в сульфиде водорода Н2S.

— Если говорить о вкладе вашей кафедры и российской науки в целом в тему сверхпроводимости, что бы вы отметили?

А.В.: Могу сказать, почему мне особенно приятно говорить об этом достижении здесь, на этой кафедре [кафедра низких температур и сверхпроводимости физического факультета МГУ. — Научная Россия]. Дело в том, что традиции сверхпроводимости и вообще физика сверхпроводимости — одна из наиболее сильных сторон советской, а теперь российской науки. Достижения, которые были получены в России, общепризнанны. На этой кафедре работали три нобелевских лауреата по изучению сверхтекучести и сверхпроводимости: Петр Леонидович Капица, Лев Давидович Ландау и Алексей Алексеевич Абрикосов. Они работали и в Московском государственном университете, и в академии наук. Сейчас получается так, что в сотрудничестве РАН, которую представляет Дмитрий, и МГУ мы опять делаем важные шаги. Ни в коем случае не хочу никого ни с кем сравнивать — я упомянул великих ученых, на счету которых колоссальные достижения, — но, думаю, они бы порадовались, что мы продолжаем заниматься этой тематикой. Это сильная сторона российской науки.

Справка

Александр Николаевич Васильев
Заведующий кафедрой низких температур и сверхпроводимости физического факультета МГУ, заведующий отделением физики твердого тела МГУ, доктор физико-математических наук, профессор.
Родился в деревне Кринички Днепропетровской области.
В 1975 г. окончил физический факультет МГУ.
Сфера научных интересов: физика низких температур, физика магнитных явлений, сверхпроводимость.
Автор книги, 320 научных статей и такого же числа докладов на конференциях, четырех патентов.
Обладатель премии международной академической издательской компании «Наука» за лучшую публикацию (1999) и первой премии на конкурсе научных работ к 70-летию физического факультета МГУ (2003), Ломоносовской премии за научную работу (2013).
Увлечения: история науки, коллекционирование монет и банкнот, посвященных выдающимся ученым естественного направления.

Дмитрий Александрович Чареев
Старший научный сотрудник Института экспериментальной минералогии, сотрудник РАН, кандидат химических наук, доцент.
Родился в Москве.
В 2003 г. окончил факультет наук о материалах МГУ. В 2006 г. защитил диссертацию по термодинамическим свойствам сульфидов минералов.
Сфера научных интересов: рост кристаллов халькогенидов, изучение фазовых диаграмм, электрохимия, высокие давления
Автор 44 работ, опубликованных в отечественных и зарубежных изданиях, двух патентов, одного учебного пособия.
Конструктор научного оборудования, которое используется во многих лабораториях мира.
Победитель конкурса «Лучшие аспиранты РАН» (2006) и «Лучшие кандидаты наук РАН» (2008) Фонда содействия отечественной науке. Награжден медалью Российской академии наук с премией для молодых ученых (2008). Лауреат премии Правительства Российской Федерации в области науки и техники для молодых ученых (2012).
Увлечения: написание докторской диссертации.

сверхпроводимость селенид железа

Назад

Социальные сети

Комментарии

Авторизуйтесь, чтобы оставить комментарий