Трёхслойные сверхпроводники обнаружили необычные свойства

Физики из Института Пауля Шеррера (Швейцария) и Брукхэвенской национальной лаборатории (США) оригинальным способом зарегистрировали так называемый гигантский эффект близости (ГЭБ) для купратного (содержащего оксид меди) сверхпроводника. Обычный эффект близости, при реализации которого куперовские пары электронов из одного сверхпроводящего электрода могут проникать в другой, преодолевая разделяющую их тонкую металлическую прослойку, давно известен. Сообщения об аномальном — гигантском — эффекте близости, наблюдаемом на примере высокотемпературных сверхпроводников и барьеров много большей толщины, появились гораздо позже, но самим фактом регистрации этого явления сейчас уже никого не удивишь. Интересной работу американских и швейцарских физиков делает экспериментальный метод, отличающийся от привычного. В традиционном варианте демонстрации ГЭБ используется трёхслойная структура с верхним и нижним электродами, выполненными из купратного сверхпроводника La1,85Sr0,15CuO4 с критической температурой перехода в сверхпроводящее состояние Тс ≈ 45 К, и барьером, изготовленным из La2CuO4 + δ с Т’с ≈ 25 К. Даже при температуре, превышающей Т’с, в таком «сэндвиче» между электродами протекает сверхпроводящий ток, причём толщина барьерного слоя превосходит максимальные величины, предсказываемые теорией классического эффекта близости. Проблема заключается в том, что этот опыт не позволяет оценить объём сверхпроводящего состояния в каждом из слоёв. Иными словами, учёные не могли утверждать, что барьер во всей своей массе демонстрирует свойство сверхпроводимости при неожиданно высокой температуре Т > Т’с. В новом эксперименте фиксировался не ток, а профиль магнитного поля в трёхслойной структуре. О переходе в сверхпроводящее состояние, как можно догадаться, сигнализировал эффект Мейснера — вытеснение магнитного поля из объёма проводника при снижении температуры до критической.
Изменения коснулись и самих «сэндвичей»: в качестве электродов были использованы La1,84Sr0,16CuO4 с Тс ≈ 32 К, а барьером стал La1,94Sr0,06CuO4 с очень низкой Т’с ≤ 5 К. Толщина всех трёх слоёв составляла 46 нм.
Расшифровку магнитной структуры авторы выполняли по относительной новой методике, имеющей название спектроскопия вращения спина мюонов. Здесь на исследуемый образец направляют пучок поляризованных по спину мюонов (обычно положительных) — нестабильных частиц со средним временем жизни в 2,2 мкс. Величина и направление поляризации спина частиц, остановившихся в мишени, изменяются во времени и определяются взаимодействиями магнитного момента мюонов с магнитными полем в той точке, где они находятся. Измеряемым параметром становится угловое распределение позитронов распада, которое связано с поляризацией спина ансамбля мюонов в момент распада.

Результаты измерения магнитного поля в центре барьерного слоя (чёрные квадраты) и в центре такого же слоя, находящегося в свободном состоянии (белые квадраты). В первом случае при Т < 22 К можно зарегистрировать уменьшение индукции — проявление эффекта Мейснера. (Иллюстрация из журнала Nature Communications.)

Поместив трёхслойную структуру в магнитное поле с индукцией 9,5 мТл и меняя температуру, физики следили за тем, как будет проявляться эффект Мейснера. Оказалось, что во всём объёме барьера этот эффект — а с ним и ГЭБ — регистрируется при температуре ниже 22 К. Можно сказать, что барьерному материалу удалось более чем в четыре раза увеличить свою критическую температуру.

«Я думаю, гигантский эффект близости найдёт применение в сверхпроводящей электронике, — резюмирует один из авторов работы Иван Божович (Ivan Božović). — Кроме того, результаты его изучения можно использовать при построении теории высокотемпературной сверхпроводимости».

Иван Божович рядом с установкой, на которой создаются тонкие сверхпроводящие плёнки.