Сверхпроводники

возросла до 105К, причем производная dTc/dP при таких высоких давлениях хоть и уменьшилась, но осталась положительной, то есть максимум Tc еще не был достигнут. Этот результат резко контрастирует с данными для ВТСП YBa2Cu3Ox, у которого при x = (6.8 ? 7) величина Tc почти не зависит от P и остается на уровне около 90К вплоть до P = 10ГПа. По мнению авторов [4,5] причина разного отклика PrBa2Cu3Ox и YBa2Cu3Ox на высокое давление кроется в различном характере распределения носителей заряда между структурными единицами элементарной ячейки и, соответственно с его различным перераспределением под давлением. Интересно, что Tc монокристалла PrBa2Cu3Ox с x = 6.8 увеличивается под давлением не так быстро, как при x = 6.6, хотя и превышает 100К при P = 10ГПа.
A.Blackstead et al., Phys. Rev. B 54, 6122 (1996)
Usagawa et al., Jpn. J. Appl.Phys. (Part 2) 36, L1583 (1997)
Zou et al., Jpn. J. Appl.Phys. (Part 2) 36, L18 (1997)
Zou et al., Phys. Rev. Lett. 80, 1074 (1998)
Ye et al., Phys. Rev. B 58, 619 (1998)
Круглов нашел заменитель золота
Оговоримся, что в данном случае речь идет только о ВТСП токовводах. Металлическая оболочка для ВТСП токовводов является предметом озабоченности и технологов, и конструкторов. На сегодня ее оптимальный состав состоит из серебра с 10%(!) золота. Дорого. А новую более дешевую оболочку ждут 1кА токовводы, разработанные тандемом Кейлин-Шиков (см. ПерсТ, выпуск 7 текущего года). Поиском “заменителя золота” упорно занимались В.С.Круглов (ИСФТТ РНЦ КИ) и И.И.Акимов (ВНИИНМ). И, как видно из представленной ниже таблицы, их поиск завершился успехом. Даже 1% найденного заменителя достаточно, чтобы составить здоровую конкуренцию золотосодержащим сплавам.

Материал	r 300 /r 77	r 300 /r 4.2
Ag	6.0	102-103
Ag+1% Au	2.9	4.9
Ag+10% Au	1.4	2.0
Ag+1%X (без термообработки)	1.1	1.67
Ag+1%X (600оС, 0.5 час.)	2.1	7.1

Известно, что токовводы – одно из (очень!) немногочисленных рыночных ресурсосберегающих ВТСП изделий. По оценкам, применение ВТСП токоввода увеличивает на 70% ресурс холодильного устройства. В конструкциях токовводов из нормального металла существует два механизма теплопритока в холодильник – джоулево тепло (особенно в длинных и тонких конструкциях) и теплопроводность (особенно в толстых и коротких конструкциях). ВТСП токоввод исключает часть теплопритока, обусловленную джоулевым теплом (во всяком случае, в наиболее критической низкотемпературной части токоввода). Этот факт сильно развязывает руки конструктору, допуская длинные и тонкие конструкции. Однако, все ВТСП составы - очень хрупкие, для придания прочности и гибкости их необходимо заключать в соответствующую оболочку. Известна также привязанность ВТСП составов к хорошо теплопроводящему серебру или сплавам на его основе. В частности, для оболочки токовводов, как правило, используются сплавы Ag+N%Au. Поиски заменителя серебра пока не найдены, но вот для золота, похоже, нашли. Из предложенного В.С.Кругловым и И.И.Акимовым сплава Ag+1%X уже изготовлена стандартная трубка, которая будет служить оболочкой для получения протяженного куска ВТСП ленты. Подождем дальнейших результатов.
Продвижение накопителей в энергосистему штата Каролина
Недавно подписано соглашение между American Superconductor Corp. (ASC) и Carolina Power & Light (CP&L) о поиске решений, основанных на использовании сверхпроводниковых магнитных накопителей электроэнергии (SMES'ов) для промышленных линий электропередач. Неблагоприятные погодные условия, инциденты на транспорте и непредсказуемый выход из строя оборудования может приводить к перерывам в подаче электроэнергии или к скачкам напряжения в сети. Согласно оценкам, такие выходы из строя в электросети обходятся американской промышленности ежегодно в миллиарды долларов за счет повреждения оборудования и прерывания непрерывных производственных циклов. Ситуацию могут в корне изменить сверхпроводниковые накопители. Серию таких накопителей (SMES'ов) на основе электромагнитов из низкотемпературных сверхпроводников на разные диапазоны мощности выпускает ф. ASC. Ее продукция размещается на портативном трейлере длиной около 12м. Используемая мощная электроника “чувствует” мгновенное перераспределение мощности в сети и в течение 2 сек переключает сеть на питание от накопителя. После стабилизации электрической мощности в сети осуществляется обратное переключение. В текущем году ф. ASC успешно внедрила в НТСП накопители ВТСП токовводы, уменьшив ежегодные эксплуатационные расходы для потребителя на 55%.
В рамках подписанного соглашения ф. CP&L, электросистемой которой пользуются более 1млн жителей штата Каролина, берет на себя маркетинговые услуги по продвижению накопителей, а
ф. ASC – поставку устройств, обучение персонала и техническую поддержку эксплуатации накопителей.
Для более полной информации контакт:
Kathy Cadigan
Corporate Communications,
American Superconductor Corporation,
Two Technology Drive,
Westborough, MA 01581;
phone (508) 836-4200 ext. 222.
Споры о биполяронной сверхпроводимости в ВТСП
Электрон-фононное взаимодействие проявляет себя по-разному: от сравнительно слабой перенормировки массы носителей заряда (в металлах) до формирования почти локализованных квазичастиц (в ионных кристаллах и оксидах). Такие квазичастицы называют поляронами малого радиуса. Концепция полярона восходит еще к работам Ландау начала 30-х годов. Полярон образуется вследствие сильного взаимодействия электрона с акустическим или локальным фононом (то есть с искажением кристаллической решетки, локализованным на расстоянии порядка размера одной элементарной ячейки).
Для того чтобы объяснить некоторые необычные свойства халькогенидов, Ф.Андерсон в 1975 году ввел понятие биполярона малого радиуса [1]: квазичастицы, представляющей собой два электрона, локализованных в непосредственной близости друг от друга. Причиной образования биполярона является (как и для полярона) сильное локальное искажение решетки электронами. Значительный вклад в науку о биполяронах внес известный французский физик Б.Чакраверти, который сначала в рамках биполяронной теории объяснил ряд необычных свойств оксида Ti4-xVxO7 [2], а затем показал, что при увеличении константы электрон-фононного взаимодействия основное состояние системы большого числа электронов непрерывным образом эволюционирует от сверхпроводящего состояния типа БКШ к диэлектрическому состоянию, в котором куперовские пары локализованы в форме массивных биполяронов.
Хотя открытие высокотемпературной сверхпроводимости Дж.Беднорцем и К.Мюллером в 1986 году обязано отчасти "поляронной идеологии" (два упомянутых нобелевских лауреата полагали, что медно-оксидные соединения могут иметь высокую критическую температуру Tc вследствие наличия в них поляронов), в те годы вопрос о бозе-эйнштейновской конденсации биполяронов как причины высокотемпературной сверхпроводимости всерьез не рассматривался. Однако еще в 1981 году А.Александров и Д.Раннингер опубликовали статью [4], где выдвинули идею, что биполяроны малого радиуса могут рассматриваться как подвижные бозоны, которые могут переходить в сверхтекучее состояние, то есть образовывать бозе-конденсат. В то время эта работа считалась методической. Но несколько лет спустя один из ее авторов (А.Александров) и известный английский теоретик Н.Мотт на полном серьезе заявили, что высокотемпературная сверхпроводимость есть не что иное как бозе-конденсация биполяронов малого радиуса [5,6]. В пользу такого сценария сверхпроводимости ВТСП свидетельствовала, по их мнению, низкая (~ 1021 см-3) концентрация носителей заряда и малая (~ нескольких нанометров) длина когерентности.
Такое "обобщение" теории биполяронной сверхпроводимости на ВТСП вызвало резкое возражение со стороны Б.Чакраверти (одного из основоположников теории биполяронов [2,3]) и Д.Раннингера (соавтора А.Александрова по работе [4], с которой все начиналось). Их аргументы приведены в недавно опубликованной работе [7] (отметим, что "терпели" они довольно долго - несколько лет). Этих аргументов несколько, но все они имеют одинаковую суть: если мы берем экспериментальное (для ВТСП) значение какой-то физической величины A и подставляем его в одну из формул теории сверхпроводимости биполяронов, то для другой величины (назовем ее B) мы получаем значение, которое примерно на порядок отличается от экспериментального. Если мы теперь возьмем другую формулу этой теории, связывающую B не с A, а, скажем, с величиной C, то мы получим другое значение B (иными словами, в теории отсутствует "внутреннее согласование"), причем оно опять же будет далеко от экспериментального. Наиболее наглядно это проявляется при определении эффективной массы носителей m* по экспериментальным значениям Tc, с одной стороны, и глубине проникновения магнитного поля, с другой. Кроме того, условие формирования биполяронов настолько жесткое (а конкретно - требует такой большой величины m*), что максимально возможная температура сверхпроводящего перехода (бозе-конденсации биполяронов) оказывается крайне низкой - в лучшем случае 10-2 К, что, конечно, слишком мало для объяснения высокотемпературной сверхпроводимости.
Итак, согласно работе [7], бозе-конденсация биполяронов как причина сверхпроводимости ВТСП исключается. Но авторы [7] пошли дальше. Они поставили вопрос так: согласуется ли теория бозе-конденсации локальных электронных пар (какова бы ни была физическая причина их образования) с экспериментальными данными для ВТСП? Ответ оказался отрицательным: нет, не согласуется. Дело в том, что один "когерентный объем" в ВТСП включает, согласно разным оценкам, от 6 до 10 носителей заряда, тогда как теория бозе-эйнштейновской конденсации локальных пар работает, если расстояние между парами больше длины когерентности. В противном случае само понятие локальных пар теряет смысл, так как взаимодействие ("перекрытие" по терминологии авторов [7]) между электронами разных "пар" сравнимо с взаимодействием электронов в одной отдельной "паре".
Не выдерживают критики, как утверждается в [7], и попытки привлечь локальные пары для объяснения псевдощели, наблюдаемой в ВТСП при T>Tc. При этом сторонники локальных пар полагают, что величина псевдощели, наблюдаемой в некоторых областях зоны Бриллюэна методом фотоэмиссионной спектроскопии с угловым разрешением (ARPES), есть не что иное как энергия распада локальной пары на два электрона (или биполярона на два полярона). Такая интерпретация полностью противоречит эксперименту, ибо ARPES свидетельствует о сильной зависимости псевдощели от квазиимпульса. Но если бы псевдощель появлялась из-за распада локальных пар, то ее величина (равная энергии связи электронов в одной паре) не зависела бы от импульса. Более того, сейчас уже можно считать доказанным наличие в ВТСП четко определенной поверхности Ферми (на которой и образуется псевдощель), а локальные пары, будучи бозонами, не имеют поверхности Ферми.
Следует отметить, что статья [7] написана в исключительно "живом" стиле, более характерном для популярного журнала, нежели для "сухих" Physical Review Letters. Процитируем ее заключительный абзац, стараясь при переводе быть по возможности ближе к оригиналу: "В этом сообщении мы позаботились о том, чтобы раз и навсегда показать, что сценарий биполяронной сверхпроводимости ВТСП не удовлетворяет экспериментальным ограничениям и является теоретически противоречивым. Хотя бозе-эйнштейновская конденсация сильно связанных электронных пар в принципе возможна, в отношении ВТСП экспериментальные ограничения таковы, что этот сценарий не реализуется. Что касается вопроса о том, могут ли биполяроны играть роль в формировании бозонных квазичастиц и их конденсации, мы исключаем такую возможность. Как однажды заметил Aldous Huxley, трагедия прекрасных теорий заключается в том, что они часто разрушаются безобразными фактами. К этому стоит добавить, что трагедия не столь прекрасных теорий состоит в том, что они даже не могут быть разрушены: подобно персонажам мультипликационных фильмов, они продолжают наслаждаться своим прелестным существованием, пока не кончится пленка."
Ответ А.Александрова не заставил себя долго ждать (к сожалению, к нему не смог присоединиться недавно ушедший из жизни Н.Мотт). Буквально в день выхода в свет номера Physical Review Letters со статьей [7] А.Александров поместил "comment" к ней в лос-аламосовском банке электронных препринтов [8]. Он утверждал, что возражения авторов [7] против биполяронной сверхпроводимости ВТСП "есть результат неправильного приближения для энергетического спектра биполяронов и неправильного применения теории биполяронов".
Используя развитую им недавно двухзонную модель, А.Александров получил формулу для Tc, которая свободна от подгоночных параметров и включает в себя, кроме фундаментальных констант, концентрацию носителей n и глубины проникновения магнитного поля l ab и l c вдоль взаимно перпендикулярных кристаллографических направлений. При подстановке в эту формулу экспериментальных (для Y-123) значений n, l ab и l c получается Tc " 100 K, что говорит о самосогласованности биполяронного подхода и свидетельствует, по мнению А.Александрова, о том, что ВТСП находятся в режиме бозе-эйнштейновской конденсации.
А.Александров также подчеркнул, что он с Н.Моттом неоднократно отмечали, что биполяроны малого радиуса в медно-оксидных купратах представляют собой не “onsite”, а ”intersite” образования. Это является следствием неэкранированного электрон-фононного взаимодействия и очень существенно, поскольку именно для “onsite“ биполяронов авторы [7] дают оценку эффективной массы биполярона, завышенную на два порядка по сравнению с экспериментом.
Кроме того, А.Александров отметил, что длина когерентности в заряженном бозе-газе, о которой идет речь в [7], не имеет ничего общего с размером бозона. Она, в частности, может быть такой же большой, как и в БКШ-сверхпроводнике. Следовательно, приводимые в [7] аргументы неверны. Неправильным считает А.Александров и утверждение авторов [7] о “бездисперсионности” фотоэмиссионной спектральной функции биполяронного соединения, поскольку дырка (которая образуется при фотостимулированном разрыве биполярона и испускании электрона) движется в поляронной зоне, обладающей дисперсией (что и “видит” ARPES).
К основным же экспериментальным аргументам в пользу биполяронной сверхпроводимости ВТСП А.Александров причисляет поведение Hc2 и удельной теплоемкости в окрестности сверхпроводящего перехода. Он делает вывод, что нет однозначных экспериментальных свидетельств против биполяронной теории. Свой комментарий А.Александров закончил так: "Ясно, однако, что любая теория, прекрасна она или нет, не может быть разрушена “безобразными” артефактами, подобными тем, что приведены в [7]".
О том, что произошло после этого "обмена любезностями", рассказал P.Rodgers в заметке [9]. Ниже дано ее краткое изложение.
В одном из интервью А.Александров назвал последний (цитированный выше) абзац статьи [7] "нездоровым и немотивированным" и отметил, что такого же мнения придерживаются многие другие физики. На это Д.Раннингер возразил, что упомянутый абзац был добавлен к статье [7] "для того, чтобы успокоить ситуацию", а не с провокационными целями. Реакция "ВТСП-сообщества" на работу [7] оказалась неоднозначной. Например, А.Абрикосов написал Д.Раннингеру письмо, в котором были такие слова: "Я получил удовольствие от чтения вашей статьи про биполяронную сверхпроводимость. Я полностью согласен с ней и оценил два последних предложения". В то же время А.Бишоп назвал тон статьи [7] "бесполезно полемическим". "Я мог бы заметить в том же духе", - сказал А.Бишоп, - "что красота находится в глазах зрителя. В создавшейся же ситуации есть несколько зрителей".
В качестве эпиграфа к своей "обобщающей" заметке [9]