Почему некоторые материалы сверхпроводят при высоких температурах?

Вопрос

В 1911 году Хейке Камерлинг-Оннес охладил ртуть примерно до четырёх градусов выше абсолютного нуля и увидел, что её электрическое сопротивление полностью исчезло. Сверхпроводники проводят ток без потерь энергии и выталкивают магнитное поле, поэтому без них не обходятся томографы и ускорители частиц. Но большую часть XX века они работали лишь при температурах вблизи абсолютного нуля, для чего нужен дорогой жидкий гелий.

В 1986 году Георг Беднорц и Алекс Мюллер обнаружили сверхпроводимость около 30 кельвинов в медно-оксидной керамике — материале, от которого вообще никто не ждал хорошей проводимости. Через год родственное соединение уже сверхпроводило при 93 кельвинах, выше температуры кипения дешёвого жидкого азота. Эти «купраты» вызвали волну воодушевления. Спустя сорок лет механизм их сверхпроводимости по-прежнему не объяснён.

Что известно

Обычная сверхпроводимость понятна. Её объясняет теория БКШ 1957 года: колебания кристаллической решётки связывают электроны в пары, и пары движутся вместе без сопротивления. Оценки на её основе, например расчёт Уильяма Макмиллана 1968 года, указывали, что этот механизм не может работать намного выше примерно 40 кельвинов.
Купраты нарушают этот предел. При нормальном давлении рекорд для обычного образца, который с 1993 года принадлежит ртутному купрату, — около 133 кельвинов. В 2026 году то же соединение, сжатое до огромного давления и освобождённое от него в глубоком холоде, сохранило сверхпроводимость до 151 кельвина при нормальном давлении, но лишь в хрупком состоянии, которое портится при нагреве выше примерно 200 кельвинов. Другие группы этот результат пока не воспроизвели.
Электроны в купратах тоже образуют пары, но другого рода. Эксперименты 1990-х показали, что у пар «d-волновая» симметрия, а это указывает, что их склеивают не колебания решётки, а магнитные взаимодействия между электронами.
Купраты слоистые: сверхпроводимость возникает в плоскостях из атомов меди и кислорода. Без добавленных носителей заряда эти материалы вовсе не металлы, а магнитные изоляторы. Сверхпроводимость появляется лишь в определённом диапазоне «легирования» между этими крайностями, а над ней лежит странное состояние, «псевдощель», которое само по себе не понято.
Найдены новые семейства: сверхпроводники на основе железа в 2008 году, оксиды никеля с 2019 года. Под огромным давлением богатые водородом соединения сверхпроводят выше 200 кельвинов — это показали для сероводорода в 2015 году и гидрида лантана в 2019 году. Эти гидриды, по-видимому, подчиняются обычной физике БКШ, доведённой до предела лёгкими атомами водорода.
В этой области были громкие ложные заявления. Два сообщения о сверхпроводимости при комнатной температуре, опубликованные в Nature, были отозваны в 2022 и 2023 годах. В 2023 году вирусную популярность получил материал LK-99; за несколько недель лаборатории показали, что резкое падение его сопротивления вызвано примесью — сульфидом меди, а чистые кристаллы этого материала — изоляторы.

Основные гипотезы

Магнитное спаривание

Электроны в пары связывают флуктуации их магнетизма, а не колебания решётки. Это самая распространённая точка зрения, но она не дала теории, которая предсказывала бы критическую температуру.

Резонирующие валентные связи

Филип Андерсон предположил в 1987 году, что электроны в медно-кислородных плоскостях образуют квантовую жидкость из спаренных спинов, которая становится сверхпроводником при добавлении носителей заряда. Идея оказалась влиятельной, но остаётся недоказанной.

Конкурирующие порядки

Псевдощель и другие структуры, найденные в купратах, например полосы заряда, могут конкурировать со сверхпроводимостью или быть частью её причины. Что из этого верно, если вообще что-то, — не решено.

Где заканчивается понимание

Купраты — задача о сильно взаимодействующих электронах: поведение каждого электрона зависит от всех остальных. Стандартные методы физики твёрдого тела, которые рассматривают электроны почти независимо, здесь не работают, а точные расчёты для реалистичного числа частиц невозможны.

Не решена даже простейшая модель, которая, как считается, передаёт суть купратов, — двумерная модель Хаббарда. Крупные численные исследования расходятся в том, сверхпроводит ли она вообще, а в 2020 году одно тщательное исследование показало, что в чистом виде — нет. В 2024 году во многом та же группа обнаружила, что если позволить электронам перескакивать и между следующими за ближайшими атомами, сверхпроводимость появляется — вместе с полосами заряда, похожими на те, что видны в купратах. Похоже, минимальной модели нужен этот дополнительный ингредиент.

В итоге мы не можем предсказать, какие новые материалы будут сверхпроводить при высоких температурах. Каждое крупное семейство нашли экспериментально, часто случайно. А на главный вопрос — возможна ли вообще сверхпроводимость при комнатной температуре и обычном давлении — у теории нет ответа.

Что могло бы дать ответ

Теория, предсказывающая критическую температуру известных купратов по их составу и структуре и правильно предсказывающая новый сверхпроводник до того, как его получат.
Надёжные решения моделей вроде модели Хаббарда — с помощью новых численных методов или квантовых симуляторов, — которые покажут, какие ингредиенты порождают сверхпроводимость.
Материал, сверхпроводящий при комнатной температуре и обычном давлении, независимо подтверждённый несколькими лабораториями.