
Международная группа ученых, в состав которой входит химик-синтетик
с Химического факультета МГУ имени Ломоносова, впервые экспериментально
доказала, что в некоторых соединениях сверхпроводимость может быть связана с таким эффектом, как спин-орбитальное взаимодействие. Работа опубликована в журнале Nature Physics.
Спин-орбитальное взаимодействие — взаимодействие электрона, находящегося на своей орбитали в атоме, и его же собственного спина. Оно вносит вклад практически во все процессы, связанные с электронами в
твердом теле и приводит к изменению набора возможных электронных состояний. Спин-орбитальное
взаимодействие является релятивистским эффектом — заметно проявляется только при
достаточно больших скоростях движения (в квантовой теории говорят об импульсе), то есть в основном в атомах тяжелых
элементов. Кроме того, явление анизотропно — его величина зависит от выбора направления в кристалле.
Сверхпроводимость же, как и обычная проводимость — тоже процесс
«связанный с электронами». Основным механизмом ее возникновения до недавнего
времени ученые считали электрон-фононное взаимодействие — пары электронов обмениваются
фононами (квазичастицами, описывающими колебания атомов в решетке), в
результате чего возникает их взаимное притяжение. Такое «спаривание»
оказывается энергетически выгодным, что в конечном итоге приводит к бездиссипативному, то есть без потерь энергии, течению пар электронов через решетку атомов кристалла. Этот механизм — основа нобелевской теории Бардина-Купера-Шриффера (БКШ).
Но с открытием высокотемпературной сверхпроводимости в медно-оксидных, а затем и в железо-содержащих соединениях, теория БКШ уже не позволяла достоверно описывать экспериментально полученные данные. В результате чего ученые стали выдвигать различные ее модификации, основанные на не-фононных механизмах электронного спаривания — магнонном, экситонном, их комбинаций и многих других. Кроме того, под вопросом остается, какие эффекты в твердом теле способны влиять на сверхпроводящие свойства и как именно. В частности, для одного из открытых классов сверхпроводников — содержащих в своем составе железо — было теоретически предсказано, что на сверхпроводимость в них может влиять спин-орбитальное взаимодействие. Но до текущего момента достоверных экспериментальных доказательств этому не было.
В новой работе авторы смогли привести экспериментальные данные, показывающие, что такое влияние все же имеет место. Для этого ученые вырастили монокристаллы сверхпроводящих арсенидов железа и под разными углами
снимали их спектры фотоэлектронной эмиссии. С помощью
комбинации таких спектров авторы установили, каким образом меняются возможные
варианты электронных состояний от направления в кристалле. Полученные данные
ученые сравнивали с теоретическими расчетами, которые учитывали влияние на электронный
спектр спин-орбитального взаимодействия. 
Сравнение этих величин в зависимости от направления в
кристалле позволило увидеть искажения, вызванные спин-орбитальным взаимодействием, и определить величину этого эффекта. Гораздо сильнее он
проявлялся у сверхпроводников с наибольшей величиной так называемой «щели» в
спектре электронных состояний. Ширина энергетической щели определяет критическую температуру перехода в
сверхпроводящее состояние — чем больше щель, тем выше критическая температура (точная зависимость для высокотемпературных сверхпроводников варьируется от материала к материалу, из-за чего данная тенденция может нарушаться). Таким образом, ученым удалось экспериментально определить эффект, значительно влияющий на параметры сверхпроводящего перехода в арсенидах железа. 
Сверхпроводники — это вещества, в которых при определенной
температуре, называемой критической, электрическое сопротивление обращается в
абсолютный ноль, что открывает широкие возможности применения таких материалов,
например, для передачи электроэнергии без потери на нагрев проводов. Но
температуры, при которых эти вещества «работают»,
чересчур низкие, и требуют охлаждения жидким азотом или даже дорогостоящим жидким гелием. Попытки выяснить, как повысить критическую
температуру сверхпроводников, поставили перед учеными другую задачу — определить, благодаря какому физическому механизму
возникает сверхпроводимость, и какие процессы в твердом теле могут влиять на ее
характеристики.
Екатерина Митрофанова
