Фізики з Японії та Нідерландів виявили в нещодавно відкритому надпровіднику на основі селенида вісмута незвичайні магнітні властивості: один з надпровідних параметрів - верхнє критичне поле - сильно залежав від напрямку в кристалі. Причому ця властивість відрізнялася від стандартної магнітної анізотропії слоїстих надпровідників. Автори вважають, що їх експериментальне дослідження може стати основою для розуміння причин виникнення надпровідності в таких матеріалах. Роботу опубліковано в журналі.
Надпровідність - ефект падіння опору в матеріалі до величин, експериментально невідличних від нуля. Це явище вже знайшло безліч застосувань в медицині, матеріалознавстві і навіть фізиці високих енергій. На їх основі виготовляють надсильні магніти для ЯМР-томографії, надточні датчики магнітного випромінювання (СКВИДи) і так далі.
Однак кожен надпровідник має ряд критичних параметрів, які обмежують його застосування. Наприклад, якщо нагріти матеріал вище критичної температури, в ньому з'явиться кінцевий опір, і передача електроенергії без нагріву проводів стане неможливою. Інший такий параметр - критичне поле - обмежує величини магнітних полів, в яких явище надпровідності може зберігатися.
Верхнє критичне поле - характеристика окремого класу речовин, їх називають надпровідниками другого роду. Для матеріалів «першого роду» визначають тільки одну величину критичного поля при кожній температурі - нижче неї надпровідність спостерігається, при більш високих полях матеріал має кінцевий опір. Будь-якій температурі нижче критичної відповідає своє значення критичного поля. Для таких речовин нормальним є стан, коли магнітне поле повністю виштовхується з усього обсягу зразка (ефект Мейснера), якщо ж воно починає проникати всередину - надпровідність руйнується.
У надпровідниках другого роду існує два таких критичних значення. При досягненні першого з них магнітне поле починається проникати в зразок, утворюючи області «нормального» провідника, навколо яких циркулює надпровідний струм (вихори Абрикосова). Друге (або верхнє) критичне поле призводить до руйнування надпровідності.
Більшість високотемпáних надпровідників (ВТСД), за відкриття яких була присуджена Нобелівська премія з фізики 1987 року, мають два критичних поля. Оскільки більшість таких матеріалів мають шару, ці величини можуть сильно залежати від того, чи спрямоване поле паралельно або перпендикулярно шару. Однак при обертанні кристала навколо цих напрямків критичне поле, як правило, залишається незмінним. Це пояснюють тим, що надпровідні електрони - куперівські пари - утворюються переважно всередині шару. Тому і властивості матеріалу можуть змінюватися саме при зміні кута між напрямком магнітного поля і площиною надпровідних шарів.
У новій роботі автори виявили незвичайну анізотропію верхнього критичного поля при обертанні одного з нещодавно відкритих надпровідників. Явище проявляється відносно «паралельного», тобто вздовж шару, напрямку магнітного поля. Ефект спостерігали в з'єднанні SrxBi2Se3 - селенді вісмута з інтеркалійованим стронцієм. Однак вчені зазначили, що після публікації статті вони дізналися про недавнє відкриття подібного ефекту в інших речовинах - селенідах вісмута, легованих міддю і ніобієм (CuxBi2Se3 і NbxBi2Se3). Автори нової роботи запропонували кілька можливих пояснень такої асиметрії надпровідного параметра.
Перше з них передбачає, що атоми стронцію в структурі розташовуються певним чином. Селенід вісмута - слоїсте з'єднання, в якому атоми в шарі набагато сильніше пов'язані один з одним, ніж шари між собою. При впровадженні в кристалічну структуру стронцію, він вбудовується якраз між площинами селеніда вісмута. Вчені вважають, що атоми стронцію в структурі можуть шикуватися в ряди, і це призводить до того, що для надпровідних електронів всередині шару виникає один більш вигідний напрямок руху.
Інше пояснення пов'язане з електронними властивостями селенида вісмута. Теоретичні дослідження інших авторів показали, що надпровідність в SrxBi2Se3 може бути викликана утворенням не синглетних, а триплетних електронних куперівських пар. Згідно загальноприйнятої теорії Бардіна-Купера-Шріффера переносниками струму в надпровідниках є пари взаємодіючих між собою електронів з протилежними імпульсами і спинами - синглетні куперівські пари. У триплітковій парі спини електронів виявляються сонаправлені. Зазвичай у надпровідниках такі статки енергетично невигідні, але, згідно з розрахунками, в SrxBi2Se3 утворення триплетних пар викликано особливою електронною структурою з'єднання.
Сам по собі Bi2Se3 - топологічний ізолятор, тобто струм у ньому може протікати тільки у вузькому шарі поблизу поверхні кристала, а в обсязі матеріал залишається ізолятором. При введенні в кристалічну структуру приблизно 3 атомів стронцію на 100 атомів вісмуту він стає надпровідником. Як надпровідники, так і топологічні ізолятори - матеріали з безліччю незвичайних властивостей і їх застосувань. Так, на основі топологічних ізоляторів були сконструйовані різні спинтронні та оптоелектронні пристрої.