Сверхпроводимость соединений нового класса на основе арсенидов железа не может быть объяснена общепринятыми теориями.

Свойство сверхпроводимости описывается теорией Бардина, Купера, Шриффера (БКШ), согласно которой электроны в сверхпроводнике не отталкиваются друг от друга, а образуют пары, называемые куперовскими, которые под действием приложенной разности потенциалов могут двигаться через кристаллическую решетку без сопротивления. Исследователи из лаборатории Эймса Университета Айовы (Ames Laboratory, США) с помощью магнитных измерений показали, что в сверхпроводниках нового класса на основе арсенидов железа образование куперовских пар происходит по иному механизму, чем в других известных сверхпроводниках.

Помимо «нулевого» сопротивления сверхпроводникам присуще еще одно свойство – они, в отличие от обычных металлических проводников, «выталкивают» магнитное поле. Слабое магнитное поле проникает лишь в узкую приповерхностную зону сверхпроводника на лондоновскую глубину проникновения, получившую название в честь братьев Лондон, описавших этот эффект.

Наука и жизнь // Иллюстрации

Группа физиков под руководством Руслана Прозорова экспериментально получила температурную зависимость лондоновской глубины проникновения в сверхпроводники на основе арсенидов железа. Вид этой зависимости определяется энергетической щелью (энергией связи куперовской пары) сверхпроводника, которая, в свою очередь, зависит от механизма образования куперовской пары. Для большинства сверхпроводящих материалов такая зависимость уже известна. Для «низкотемпературных» сверхпроводников она носит экспоненциальный характер, для высокотемпературных купратных – линейный.

Исследования монокристаллов сверхпроводящих соединений нового класса на основе системы барий-железо-мышьяк, а также Nd-Fe-As- и La-Fe-As – оксидов показали, что температурная зависимость лондоновской глубины проникновения выражается степенной функцией с показателем степени, равным примерно 2,4. Этот неожиданный результат позволил учёным предположить, что в соединениях на основе арсенидов железа куперовские пары образуются по другому механизму, чем в других классах сверхпроводников. Более того, для его описания необходимо оперировать двумя величинами энергетической щели, поскольку эти новые сверхпроводники проявляют свойства сверхпроводников двух типов – купратов и диборида магния.

Руководитель группы Руслан Прозоров назвал новые материалы самыми сложными из всех известных сверхпроводников. Их свойства не поддаются объяснению в рамках разработанных ранее теорий и требуют новых теоретических подходов.

Отметим, что в начале 2009 года была опубликована статья исследователей из Арагонской национальной лаборатории (США), в которой авторы также пришли к выводу, что новый класс сверхпроводников на основе арсенидов железа не может описываться с помощью «обычных» теорий сверхпроводимости. Группа физиков под руководством Стефана Розенкранца (Stephan Rosenkranz) измеряли неупругое рассеяние нейтронов арсенидов железа и обнаружили, что знак энергетической щели (разности между суперпроводящим и нормальным электронным состояниями) этих сверхпроводников меняется от одного электронного состояния к другому (от одной электронной орбитали к другой). Учёные предположили, что механизм образования куперовских пар в этих соединениях может быть связан с антиферромагнитными флуктуациями, а не с колебаниями кристаллической решетки (как предполагает теория БКШ). То есть, как считает Стефан Розенкранц, получено прямое доказательство необычной природы сверхпроводимости нового класса материалов.