Физики экспериментально
исследовали свойства тонких пленок из высокотемпературного сверхпроводника и
обнаружили в них двойное изменение знака коэффициента Холла с уменьшением
температуры, причем одно из них происходило еще до достижения критической температуры перехода. Это подтверждает созданную более 20 лет назад теорию о поведении
высокотемпературных сверхпроводников, которую до этого невозможно было
проверить из-за технологических ограничений. Авторы считают полученные
результаты справедливыми для всех сверхпроводников, что может помочь продвинуть
понимание этого феномена. Статья опубликована в журнале Physical Review
Letters.
Сверхпроводимость — это макроскопическое
квантовое явление, заключающееся в фазовом переходе некоторых материалов ниже
определенных температур в новое состояние, в котором они проводят электрический
ток без сопротивления. Сегодня известно множество различных сверхпроводников, к
которым относятся как чистые вещества из одного химического элемента, так и
сложные соединения.
Полноценной теории сверхпроводимости
на данный момент нет. В частности, это затрудняет поиск веществ со все большей
критической температурой, ниже которой наступает фазовый переход. Сегодня
рекордные значения температур находятся в области 140 кельвин (порядка -140
градусов Цельсия) для нормальных условий и около 203 кельвин (-70 градусов
Цельсия) при высоких давлениях.
Эффект Холла — это
возникновение поперечной разности потенциалов в проводнике, находящемся в
магнитном поле. В простейшем случае это явление объясняется силой Лоренца,
действующей со стороны магнитного поля на носители зарядов в токе. Она отклоняет
заряды в ту или иную сторону в зависимости от их знака, что приводит к их
накоплению у краев проводника и появлению разности потенциалов. В зависимости
от типа носителей заряда в конкретном веществе эффект Холла может быть
положительным или отрицательным.
Сверхпроводимость
специфическим образом взаимодействует с эффектом Холла, приводя к его инверсии
при переходе вещества в сверхпроводящее состояние. В результате холловское
сопротивление и величины соответствующих потенциалов меняют знак, как будто в
веществе сменился тип носителей заряда. Несмотря на то, что эффект Холла нашел
множество технологических применений, в том числе как метод исследования потенциальных
сверхпроводников, физическая суть инверсии оставалась не до конца понятной.
В 1995 году Михаил
Фейгельман, Вадим Гешкенбейн, Анатолий Ларкин и Валерий Винокур опубликовали теоретическую
статью, в которой подробно изучили вопрос инверсии эффекта Холла в
высокотемпературных сверхпроводниках. В работе рассматривалось влияние
возникающих в сверхпроводнике магнитных вихрей на движение электронов. Однако в
получившиеся выражения входило множество параметров, которые было невозможно
определить из эксперимента на существовавшем тогда уровне развития науки, из-за
чего результат было невозможно проверить.
Коллектив ученых из США,
Японии и России с участием Валерия Винокура в новой работе экспериментально
исследует тонкие пленки высокотемпературного сверхпроводника из класса висмут-стронций-кальциевых
купратов (BSCCO) Bi2.1Sr1.9CaCu2.0O8+δ. Физики подробно изучили эффект Холла в
зависимости от количества слоев в образце и внешней температуры. Уменьшение толщины
позволило получить квазидвумерный материал, в котором влияние интересовавших
авторов эффектов увеличивается.
Одним из непроверенных
ранее предсказаний теории было наличие инверсии эффекта Холла вне области сверхпроводимости.
Для наиболее детально изученного случая материала толщиной в две элементарные
ячейки, для которого критическая температура перехода составляет 81 кельвин,
инверсия наблюдалась также и на 5 кельвинах выше этой температуры. Полученные данные впервые
предоставили возможность количественной проверки теории 1995 года. Результаты
экспериментов оказались в согласии с теоретическими предсказаниями.
Также ученые отмечают,
что синтез использованных тонких пленок сверхпроводников является отдельным технологическим достижением, на осуществление которого физикам
потребовалось пять лет. Они считают, что подтверждение старой теории о влиянии
магнитных вихрей продвинет понимание электронных свойств, в особенности в
случае высокотемпературных сверхпроводников
Физики раньше уже добивались контролируемой инверсии эффекта Холла — для этого они использовали микроструктурированную кольчугу, которая представляла собой метаматериал, имитирующих другой тип носителей заряда. В другой работе физики научились закручивать магнитные вихри для спинтроники.
Тимур Кешелава
