Физик Виктор Лахно из Института прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН предложил объяснение сверхпроводимости трансляционно-инвариантной теорией биполяронов. С ее помощью он обозначил возможные пути решения проблемы сверхпроводимости при комнатной температуре. Соответствующая статья опубликована в Advances in Condensed Matter Physics.
В настоящее время работа над получением новых сверхпроводников, способных работать при температурах заметно выше абсолютного нуля, идет по всему миру. Однако по сути она ведется эмпирически — устраивающей всех физиков теории, как сверхпроводимость вообще возможна при высоких температурах, пока не существует. А отсутствие нормальной теории означает, что поиски таких материалов идут едва ли не вслепую, перебором.
Классическая теория сверхпроводимости — БКШ (по именам ее разработчиков Джона Бардина, Леона Купера и Джона Шриффера) — не давала права на существование сверхпроводимости при температуре выше нескольких градусов по Кельвину (около -270 градусов по Цельсию). Однако уже в 1986 году было найдено первое соединение из класса высокотемпературных сверхпроводящих купратов La2-xBaxCuO4, с критической температурой в -243 градуса по Цельсию, а сегодня удалось дойти даже до -70 градусов по Цельсию.
Стало ясно, что нужна какая-то новая теория. Одной из гипотез, претендующих на этот статус, стала биполяронная. Она исходит из того, что сверхпроводимость объясняется переходами идеального трехмерного бозе-конденсата трансляционно-инвариантных биполяронов (TИ-биполяронов). Конденсат Бозе — Эйнштейна — это пятое агрегатное состояние материи, предсказанное Эйнштейном в 1925 году и реализованное в эксперименте в 1995-м. Ученые использовали газ из атомов рубидия, охлажденный до практически абсолютного нуля. При таком охлаждении все частицы в бозе-конденсате движутся согласованно — формируют одну квантово-механическую волну и ведут себя как одна гигантская частица. Все они одновременно находятся в одном и том же месте, и каждая из них в то же самое время «размазана» по всей области пространства. Ранее Виктор Лахно математически доказал, что бозе-конденсат может быть образован из квантового бозе-газа, который, в свою очередь, состоит из трансляционно-инвариантных биполяронов.
Полярон — это квазичастица из электрона и возмущения, которое он производит, пролетая сквозь кристаллическую решетку вещества. Такие возмущения называют фононами. Соответственно, биполярон — это два полярона, связанных между собой межфононным взаимодействием. Виктору Лахно удалось показать, что биполярон может обладать свойством трансляционной инвариантности, то есть представлять собой плоскую волну, бегущую в кристаллической решетке.
Плоская бегущая волна может сохранять стабильность даже в условиях, при которых обычные волны со временем затухают. Ученый теоретически доказал, что трансляционно-инвариантные биполяроны могут создавать устойчивый бозе-конденсат даже при комнатной температуре. Это значит, что сверхпроводимость при этих температурах также вполне возможна.
В своих расчетах он исходил из тех же начальных положений, что и классическая теория БКШ. Однако при этом он рассматривал электрон-фононное взаимодействие в сверхпроводнике не как чисто электронное — с исключением фононных переменных, а скорее как фононное, исключив из расчетов переменные, касающиеся взаимодействия электронов, и оставив лишь те, что касались взаимодействия фононов.
В случае линейного закона дисперсии (как в классической теории БКШ) фононы представляют собой квантованные звуковые волны, поэтому можно сказать, что в ТИ-биполяронной теории причиной сверхпроводимости являются заряженные звуковые волны, которые и образуют бозе-эйнштейновский конденсат. Однако в случае материалов, становящихся сверхпроводниками при комнатной температуре, согласно теории Лахно, мы имеем дело не со звуковыми, а с оптическими фононами: поскольку эти материалы являются ионными кристаллами, то возникающие в них при движении электронов колебания могут иметь оптическую природу.
В результате теория описывает заряженный бозе-газ из связанных с парами электронов оптических фононов, представляющих собой трансляционно-инвариантные (ТИ) биполяроны, а не просто пары электронов, как в классической БКШ-теории. Качественное отличие новой теории от других состоит в том, что в ТИ-биполяронном, то есть в спаренном состоянии, которое и обеспечивает сверхпроводимость, даже при равной нулю температуре находится лишь небольшая доля всех электронов сверхпроводника, а не все электроны сразу. Это соответствует результатам, полученным в экспериментах в 2016 году, и открывает совершенно новые перспективы в создании комнатных сверхпроводников. Так как для перехода в состояние сверхпроводимости не надо делать спаренными все электроны материала, а нужно лишь повысить концентрацию ТИ-биполяронов в нем до определенного уровня.
