Премии ОИЯИ

Спиновые флуктуации и высокотемпературная сверхпроводимость

Сегодня мы представляем цикл исследований "Теория спиновых флуктуаций и высокотемпературной сверхпроводимости в купратах", удостоенный первой премии в конкурсе теоретических работ. Авторы: Н.М.Плакида, С.Адам, Г.Адам, А.А.Владимиров, Д.Иле, В.С.Удовенко.

В 1986 году в Швейцарии Беднорцем и Мюллером была открыта сверхпроводимость в медно-оксидных соединениях (купратах) с рекордной по тем временам температурой сверхпроводимости T_c порядка 35 K (в абсолютной шкале температур или -238°C). В январе 1987 года появилось сообщение о синтезировании в этом же классе соединений сверхпроводников с T_c = 90 K. Сверхпроводники с температурой сверхпроводимости, превышающей температуру кипения жидкого азота T = 77,4 K, принято называть высокотемпературными (ВТСП), для охлаждения которых требуется дешевый жидкий азот, - в отличие от низкотемпературных, для охлаждения которых требуется дорогой жидкий гелий. В настоящее время максимальная температура сверхпроводимости T_c = 138 K получена для ртутных медно-оксидных соединений. Достигнуты определенные успехи и в применении купратных ВТСП в технике: созданы электрические кабели для передачи электроэнергии, генераторы и электромоторы, ограничители тока, различные электронные устройства.

В то же время, несмотря на небывалую активность в исследовании ВТСП в купратах, до сих пор отсутствует общепринятая теория этого явления. Главная проблема при теоретическом описании купратов обусловлена сильными электронными корреляциями, связанными с большим кулоновским взаимодействием на узлах меди. Это обстоятельство не позволяет использовать для них приближение одночастичных возбуждений и стандартную зонную теорию. В частности, при половинном заполнении зоны проводимости (один электрон на узел решетки) в противоречии с зонной теорией исходные соединения купратов не металлы, а антиферромагнитные (АФМ) диэлектрики с заполненной зоной одночастичных состояний и пустой зоной двухчастичных состояний. Диэлектрическая щель обусловлена сильным кулоновским взаимодействием, значительно превышающим кинетическую энергию электронов. Поэтому электроны при половинном заполнении не имеют достаточной кинетической энергии, чтобы преодолеть кулоновский барьер, и оказываются локализованными на своих узлах. Чтобы перевести такой изолятор в металлическое и сверхпроводящее состояние, необходимо либо добавить электроны в пустую двухчастичную зону (электронное легирование), либо уменьшить число электронов в одночастичной зоне (дырочное легирование). При этом возникает плохой металл, носители заряда в котором (электроны или дырки) образуют сильно-коррелированную электронную жидкость, непохожую на обычный металл. Описание такого металла в нормальном состоянии и тем более в случае сверхпроводимости представляет сложную задачу.

Было предложено несколько механизмов возникновения ВТСП, в которых часто используется модель обычного металла и игнорируются двухзонная картина электронного строения купратов. Напомним, что в стандартной теории сверхпроводимости Бардина-Купера-Шрифера-Боголюбова (БКШБ) предполагается образование связанных состояний двух электронов с противоположными спинами - куперовских пар с зарядом 2e в синглетном состоянии (спин пары S = 0) ниже температуры сверхпроводимости T_c. В результате в спектре возбуждений электронов возникает щель, которая препятствует рассеянию электронов и обеспечивает сверхпроводимость - сверхтекучесть куперовских пар. Образование куперовских пар в этой теории возникает за счет притяжения двух электронов при взаимодействии их с решеткой. Такой электрон-фононный (ЭФ) механизм в обычных металлах получил надежное подтверждение в широком классе экспериментов. Наиболее прямое доказательство ЭФ механизма состоит в наблюдении изотопического эффекта - изменение температуры T_c при изотопическом замещении ионов решетки. Однако изотопический эффект в купратах при оптимальном легировании (максимальной температуре сверхпроводимости T_c) необычайно мал, что ставит под сомнение чисто ЭФ механизм. Поскольку исходные соединения купратов представляют собой АФМ диэлектрики, в которых существуют АФМ спиновые волны, был предложен альтернативный магнитный механизм ВТСП. В этом случае образования куперовских пар происходит за счет взаимодействия электронов со спиновыми возбуждениями. Как было показано в недавних экспериментах по неупругому резонансному рассеянию рентгеновских лучей, во всей области существования сверхпроводимости действительно существуют спиновые возбуждения с дисперсией и интенсивностью, близкими к АФМ спиновым волнам в исходных купратах. Это наблюдение служит подтверждением возможности магнитного механизма ВТСП.

Значительное число теоретических работ, исследующих магнитный механизм ВТСП, основано на феноменологическом подходе, в котором постулируется взаимодействие электронов со спиновыми возбуждениями с подгоночной константой связи. В наших недавних работах нам удалось построить микроскопическую теорию спиновых волн и ВТСП при последовательном учете сильных корреляций в рамках двухзонной модели для одночастичных и двухчастичных состояний. В этом случае для описания коррелированных электронов приходится использовать технику составных операторов - так называемых операторов Хаббарда, которые учитывают, в каком состоянии находится электрон - в одночастичном или двухчастичном. Напомним, что в квантовой теории обычно рассматриваются два сорта частиц: фермионы с полуцелым спином и бозоны с целым спином. Волновая функция двух фермионов при их перестановке меняет знак, а волновая функция двух бозонов знак не меняет. Электроны, описываемые операторами Хаббарда, не являются ни фермионами, ни бозонами и имеют сложные коммутационные соотношения, приводящие к специфическому кинематическому взаимодействию электронов. Этот термин был введен Дайсоном для описания спиновых волн в ферромагнетиках. Особенностью спиновых волн является их двойственный характер: на разных узлах решетки они ведут себя как бозе-возбуждения, а на одном узле решетки - как ферми-возбуждения. Поэтому помимо динамического обменного взаимодействия спинов возникает дополнительное, кинематическое взаимодействие, обусловленное этой двойственностью их статистики. Подобное же взаимодействие возникает и для операторов Хаббарда. При этом константа связи для взаимодействия коррелированных электронов со спиновыми возбуждениями не является подгоночным параметром, а определяется величиной кинетической энергии электронов. Нами были учтены также другие взаимодействия в купратах: межузельное кулоновское отталкивание электронов, которое как и в теории БКШБ может подавить сверхпроводимость, а также и обычное ЭФ взаимодействие. Оказалось, что специфическое кинематическое взаимодействие дает наибольший вклад в спаривание электронов, а кулоновское отталкивание и ЭФ взаимодействия играют второстепенную роль. Таким образом, в рамках развитой нами микроскопической теории предложен новый механизм ВТСП в купратах, обусловленный кинематическим взаимодействием в пределе сильных корреляций и спариванием электронов за счет спиновых флуктуаций с большой константой связи. Подчеркнем, что подобный механизм не возникает при феноменологическом описании электронного спектра с помощью обычных ферми-операторов.

Профессор Николай ПЛАКИДА