26 октября 2014 на сайте журнала Nature Physics была опубликована статья, в которой было объявлено об обнаружении фазы Ларкина — Овчинникова — Фульде — Феррелла в сверхпроводнике. Мы попросили прокомментировать это исследование специалиста в области сверхпроводимости, кандидата физико-математических наук Алексея Кавокина.

Сверхпроводимость исчезает, если поместить сверхпроводник в достаточно сильное магнитное поле. Это установил еще Хейке Камерлинг-Оннес в 1914 году. Почему это происходит? На этот счет имеется несколько сценариев. Нас интересуют два из них. Первый сценарий диамагнитный. Вальтер Мейснер и Роберт Оксенфельд в 1933 году установили, что сверхпроводники являются идеальными диамагнетиками — они полностью выталкивают наружу магнитное поле. В 1935 году Фриц и Хайнц Лондоны объяснили этот эффект наличием в сверхпроводниках поверхностных электрических токов, которые экранируют магнитное поле. Чем больше поле, тем более сильные токи должны течь вдоль поверхности сверхпроводника, чтобы его заэкранировать. Но до бесконечности увеличивать ток нельзя: как только он превышает некую критическую величину, сверхпроводимость разрушается. На языке микроскопической теории сверхпроводимости, предложенной Бардиным, Купером и Шриффером (БКШ) в 1957 году, критический ток разрывает куперовские пары — пары электронов, которые образуют заряженную сверхтекучую жидкость в кристалле.

Итак, когда магнитное поле превышает некую критическую величину, сверхпроводник уже не может генерировать достаточно сильный электрический ток, чтобы полностью заэкранировать его. Магнитное поле начинает проникать в сверхпроводник. Появляются вихри, каждый из которых несет квант магнитного потока, — вихри Абрикосова. С увеличением магнитного поля вихрей становится все больше, как дырок в швейцарском сыре. Когда поле достигает второй критической величины, дырки сливаются, сыр разваливается, сверхпроводимость пропадает. Это был диамагнитный сценарий.

Второй сценарий можно назвать парамагнитным. Известно, что электроны — это маленькие магнитики. Каждый из них обладает собственным магнитным моментом — спином. У двух электронов, образующих куперовскую пару, спины должны быть направлены в противоположные стороны — это называется синглетным состоянием. Но магнитное поле стремится развернуть все магнитики-спины в одну сторону — по полю. Энергия электрона со спином, направленным против поля, отличается от энергии электрона, направленного по полю, на величину, которую называют зеемановским расщеплением в честь голландского физика Петера Зеемана, открывшего этот эффект в 1896 году. Как только зеемановское расщепление сравнивается с энергией связи куперовской пары, спин одного из электронов переворачивается, и пара переходит в триплетное состояние, которое, как правило, нестабильно. В результате сверхпроводимость исчезает.

В обычных сверхпроводниках диамагнитный механизм срабатывает раньше парамагнитного. Лишь в 2008 году началось изучение сверхпроводников на основе железа и других экзотических материалов, где парамагнитный механизм более эффективен. Но еще в 1964 году американский физик Ричард Феррелл и его немецкий коллега Петер Фульде одновременно с советскими учеными Анатолием Ларкиным и Юрием Овчинниковым показали теоретически, что сверхпроводимость может сохраняться даже тогда, когда, в соответствии с парамагнитным механизмом, ее быть уже не должно. Предсказанная ими новая фаза сверхпроводящей электронной жидкости была названа фазой ФФЛО по первым буквам их фамилий. ФФЛО показали, что при сильных магнитных полях куперовские пары могут выглядеть не совсем так, как представлял себе Купер в 1957 году. Купер утверждал, что притягиваться друг к другу и образовывать пару могут только два электрона, летящие в противоположные стороны с одинаковой скоростью (так называемой скоростью Ферми). При этом центр масс куперовской пары остается неподвижным. Однако в сильном магнитном поле есть две скорости Ферми: с одной (побольше) движутся электроны, спин которых параллелен полю, с другой (поменьше) движутся электроны со спином, направленным против поля. Если мы сделаем из электронов с противоположными спинами пару, у центра масс этой пары будет ненулевая скорость и, соответственно, ненулевой волновой вектор. ФФЛО сделали вывод: сверхпроводимость в этом режиме возможна, но плотность сверхпроводящей электронной жидкости будет образовывать стоячие волны в реальном пространстве. Такие зарядовые волны будут характеризоваться тем самым волновым вектором, который центр масс куперовской пары приобретает в магнитном поле.

Поисками фазы ФФЛО занимались многие лаборатории мира. Основными кандидатами на обнаружение этой фазы были системы тяжелых фермионов и органические сверхпроводники. Недавно вышедшая в престижном журнале Nature Physics статья франко-японо-американской группы ученых сообщает об обнаружении фазы ФФЛО в сильноанизотропном органическом сверхпроводнике с непроизносимым названием κ-(BEDT-TTF)2Cu (NCS)2. В этом материале сверхпроводимость сочетается с магнитным упорядочением. Это вполне согласуется с предсказаниями ФФЛО: в обедненных куперовскими парами пространственных доменах скапливаются поляризованные по спину электроны, которые образуют магнитные квазичастицы — так называемые андреевские связанные состояния (по работе Александра Федоровича Андреева того же 1964 года). Интуитивно их образование можно объяснить так: в термодинамическом равновесии электронов со спином, параллельным магнитному полю, должно быть больше, чем электронов с противоположным спином. Однако в синглетных куперовских парах электронов со спинами по полю и против поля одинаковое количество. Значит, избыточные электроны со спином по полю должны скапливаться в промежутках между пиками плотности куперовских пар. Это приводит к возникновению магнитного упорядочения.

Авторы статьи в Nature Physics детектировали магнитные квазичастицы методом ядерного магнитного резонанса, который применяется в магниторезонансных томографах. По наличию магнитных квазичастиц они сделали вывод о возникновении в исследуемом материале фазы ФФЛО. Замечу, что для обнаружения этой фазы ученым пришлось поместить образец в магнитное поле, превышающее 20 тесла, что в четыреста тысяч раз превосходит магнитное поле Земли.

Экспериментальное обнаружение фазы ФФЛО позволяет надеяться на то, что будет найден ответ на один из важнейших вопросов современной физики твердого тела: в чем природа и механизм высокотемпературной сверхпроводимости, которая не описывается моделью БКШ? Ответ на этот вопрос позволит сделать рывок к реализации сверхпроводимости при комнатной температуре.