CC BY
0УДК 538.945
Статья
Информация о международной конференции по сверхпроводимости и магнетизму в Турции (ICSM'24)
С. Г. Овчинников1*, П. Н. Дегтяренко2, А. Ю. Дегтяренко3, Т. Е. Кузьмичева3
1 Институт физики им. Л.В. Киренского, ул. Академгородок, д. 50, 660036 Красноярск, Россия
2 ООО «С-Инновации», Научный пр-д, д. 20, 117246 Москва, Россия
3 Центр высокотемпературной сверхпроводимости и квантовых материалов им. В.Л. Гинзбурга, Физический институт им П.Н. Лебедева РАН, Ленинский пр-т, д. 53, 119991 Москва, Россия
* e-mail: sgo@iph.krasn.ru
Поступила в редакцию 15.07.24, после переработки 19.07.24, принята к публикации 28.07.24.
В статье представлены некоторые результаты работы 9-ой международной конференции по сверхпроводимости и магнетизму, состоявшейся в Олюденизе, Турция.
Ключевые слова: ICSM'24; сверхпроводимость; магнетизм.
DOI: 10.62539/2949-5644-2024-0-2-79-96
1. Введение
Уже не первый год в Турции в конце апреля-начале мая проходят международные конференции по сверхпроводимости и магнетизму (ICSM), начало которым было положено в 2009 году. С 27 апреля по 4 мая 2024 года состоялась 9-я Международная конференция по сверхпроводимости и магнетизму (ICSM'24) в Ликийском регионе на побережье Средиземноморья. В этом году организаторы объединили две конференции по близким вопросам: по сверхпроводимости и магнетизму (ICSM), по квантовым материалам и технологиям (ICQMT). В конференции приняли участие около 700 ученых из Турции, России, США, Китая, Японии (самые многочисленные делегации и др.). У этой конференции есть два основных достоинства: во-первых, высокий научный уровень — руководители секций и приглашенные докладчики тщательно подбираются из числа ведущих мировых ученых; во-вторых, в условиях санкций россияне имеют возможность живого общения с широким кругом специалистов из различных стран, в том числе с российскими учеными, работающими в настоящее время зарубежом. Перечень секций, которые можно увидеть на сайте конференции [1], показывает, что участники конференции могли познакомиться с последними достижениями в таких областях как сверхпроводимость, магнетизм, магнитные материалы, квантовые материалы и их технологии. Среди новых направлений этого года можно указать на сверхпроводимость в никелатах La-3№207 с температурой сверхпроводящего перехода Тс до 80 К при достаточно небольшом давлении 14 ГПа, обнаруженную недавно в работе китайских ученых [2, 3], и предсказанную российским ученым В.И. Анисимовым в 1999 г [4]. В никелате вполне возможны другие механизмы сверхпроводимости, чем в купратах. Сильное локальное взаимодействие электронов в соседних слоях может образовывать локальные синглеты наряду со значительной гибридизацией dг2 и dxЛ2_yЛ2 электронами на соседних узлах. Такой двухкомпонентный сценарий спаривания был предложен недавно в работе [5]. Двухслойная структура сверхпроводящего соединения La3Ni2O7 и ее дальнейшее исследование могут привести к расширению класса ВТСП материалов и пониманию механизмов сверхпроводимости в них.
Остановимся на пленарных докладах, их перечень приведен ниже:
В докладах по новым материалам значительную роль играли материалы в неравновесных
условиях и низкоэнтропийные материалы. Немало европейских докладчиков обсуждали роль сверхпроводимости, и применения сверхпроводящих проводов, для выполнения глобальной задачи достижения нулевых углеродных выбросов к 2050 г.
В области магнитных материалов основное внимание было уделено 7 группам материалов: материалы для спинтроники, новые магнитные материалы, материалы для магнитной записи, магнитные материалы для медицины, моторы для преобразования энергии, материалы для магнитокалорическим эффектом, магнитные сенсоры.
Вниманию читателей предлагаем список всех пленарных докладов (45 мин) и приглашенных докладов (30 мин) из России [1]:
Пленарные доклады:
1. Implications of Climate Change and Zero Emission Targets on Emerging Technologies. Geoffrey Levermore, The Nobel Peace Prize 2007. (The University of Manchester, United Kingdom).
2. Superconducting Diode Effect. Teruo Ono (Kyoto University, Japan).
3. Superbrain Manifesto. Ivan Bozovic (Brookhaven National Laboratory, USA).
4. Topological Quantum Matter: New Frontiers. M. Zahid Hasan (Prinston University, USA).
5. Effects of Topology in Superconductor Nanoarchitectures. Vladimir Fomin, Leibniz Institute for Solid State and Materials Research (IFW) Dresden, Institute for Emerging Elect Germany.
6. Magnon Enhanced Quantum Technologies. Michael Flatte, University of Iowa, USA.
7. Advanced REBCO-based conductors for large-scale HTS applications: Exploring limits of performance in coated conductors. Amit Goyal, University At Buffalo (SUNY-Buffalo) USA.
8. Remarkable effects of Electricity and Magnetism in Human Body. Tarik Yazar Ankara University Turkiye.
9. Non-trivial Topological and Strongly-Correlated Electron States in Model Type Low-Dimensional Magnet-Superconductor Hybrid Systems. Roland Wiesendanger University of Hamburg Germany.
10. From spintronic devices to quantum spin torques. Pietro Gambardella, ETH Zurich, Switzerland.
11. Superconductivity near 80K in a bilayer nickelate under high pressure. Meng Wang School of Physics, Sun Yat-Sen University, China.
12. Ferrimagnetic Garnet Films and Nanocomposites for Spintronic, Photonic and Magnetoe-lectric Devices. Caroline Ross (Massachusetts Institute of Technology, USA)
13. Transport Phenomena in Bose-Einstein Magnon Condensates. Burkard Hillebrands (RPTU Kaiserslautern, Germany).
14. High-Pressure Challenges of Metallic Hydrogen and Room-Tc Superconductors. Hokwang Mao, Hokwang Mao Shanghai (Advanced Research in Physical Sciences; Center for High Pressure Science and Technology, China).
15. Quantum dynamics and Transport of Spins in Magnets. Eiji Saitoh (The University of Tokyo, Japan).
16. Neuromorphic Computing Architecture using Superconductor Nanowire Single Photon Detectors and Phase Change Memory Materials. Orkun Hasekioglu (TUBITAK Informatics and Information Security Research Center, Gebze, Kocael, Turkiye).
Приглашенные докладчики из России:
1. Аномальная металлическая кислородная зона в потенциальном сверхпроводнике KCa2Fe4As4O2, Никита Павлов (ИЭФ РАН, Екатеринбург).
2. Фазовое расслоение в монокристаллах АФМ полуметалла EuSn2As2, Алёна Дегтяренко (ФИАН, Москва).
3. Структура сверхпроводящего параметра порядка в слабо передопированых пникти-дах NaFe0 955Co0 045 As по данным SNS-андреевской спектроскопии и измерений теплоемкость. Татьяна Кузьмичева (ФИАН, Москва).
4. Новые сверхпроводники — висмутиды BaTM^ 8Bi2 (TM = Au, Ag): синтез, структура и свойства. Игорь Морозов (Химический факультет МГУ, Москва).
5. Температурная зависимость сверхпроводящего параметра порядка в стехиометрическом пниктиде EuCsFe4As4. Татьяна Кузьмичева (ФИАН, Москва).
6. Исследование геликоидального магнитного порядка в квазидвумерном слоистом киральном PbMnTeO6 с тригональной решеткой методами нейтронной диффракции. Александр Курбаков (ПИЯФ, Гатчина).
7. Сага о BaCo2(AsO4)2. Павел Максимов (ОИЯИ, Дубна).
8. Возможные фазы квантовой спиновой жидкости и кластерного моттовского диэлектрика в магнетике Mo3O8. Сергей Стрельцов (ИФМ УрО РАН, Екатеринбург).
9. Плато намагниченности: индуцированная полем фрагментация спиновых решеток на кластеры. Александр Васильев (МГУ, Москва).
10. Магнетики на основе 4d, 5d металлов. Ольга Волкова (МГУ, Москва).
11. Улучшение характеристик Джозефсоновского параметрического усилителя с бегущей волной с применением Bi-СКВИД ячеек. Николай Колотинский (МГУ, Москва).
12. Перенос заряда в лантанидах 3.5-динитробензоатоах с аминобензольными производными. Николай Ефимов (ИОНХ РАН, Москва).
13. Электронная зонная структура, особенности распределения зарядов, магнитных и магнитоэлектрических свойств La2CuO4. Валерий Орлов (НИЦ КИ, Москва).
14. О границах стабильности скирмионной фазы в нецентросимметричных ферромагнетиках с взаимодействием Дзялошинского-Мория. Сергей Григорьев (ПИЯФ--НИЦ КИ, Гатчина).
15. Стабильность и закалка ВТСП магнитов при низких температурах — точка зрения. Виталий Высоцкий (ВНИИКП, Москва).
16. Самая длинная в мире ВТСП кабельная линия постоянного тока в Санкт-Петербурге: результаты тестирования и инсталляции. Андрей Кащеев (НТЦ РОССЕТИ ФСК ЕЭС, Москва).
17. Термоэлектрические свойства сплавов Гейслера X2(Cs,Rb)(Bi,Sb) (X=Li, K, Na, Rb). Василий Бучельников (ЧГУ, Челябинск).
18. Магнитные, оптические и фототермические свойства композитных наноструктур ферромагнитное ядро-плазмонная оболочка для биомедицинских применений. Лариса Панина (НИТУ МИСиС, Москва).
19. Полупроводниковые наночастицы для аналитической химии. Ольга Горячева. (СГУ, Саратов).
20. Линейная температурная зависимость сопротивления купратов как следствие рассеяния фермионов на Q-боллах. Сергей Мухин (НИТУ МИСиС, Москва).
21. Спиновые и зарядовые корреляционные функции в дырочно-допированных купратах в кластерной теории возмущений. Сергей Овчинников (ИФ СО РАН, Красноярск).
22. Плотность состояний в присутствии спин-зависящего рассеяния в СФ-бислоях. Анастасия Гуравова (НИУ ВШЭ, Москва).
23. Гибридные структуры сверхпроводник-ферромагнетик с диффузией и инжекцией спин-поляризованных электронов. Валерий Рязанов (ИФТТ, Черноголовка).
24. Андреевские связанные состояния немагнитных примесей в гетероструктурах сверхпроводник-антиферромагнетик. Александр Бобков (МФТИ, Москва).
25. Магнитные взаимодействия в связанных системах S/F/S джозефсоновских контактов. Ирина Бобкова (МФТИ, Москва).
26. Неелевские триплетные корреляции в гетероструктурах сверхпроводник/
антиферромагнетик со спин-орбитальной связью. Григорий Бобков (МФТИ, Москва).
27. Контролируемый топологический сверхпроводящий диод. Андрей Васенко (НИУ ВШЭ, Москва).
28. Необычный магнетизм в РЗМ-соединениях: данные нейтронной спектроскопии и современные теоретические модели. Павел Савченков (НИЯУ МИФИ, Москва).
29. Геликоидальный контролируемое переключение сверхпроводящего состояния радиационным импульсом: теоретический анализ и оценки стабильности. Михаил Кройтору (НИУ ВШЭ, Москва).
30. Квазичастичный отклик в NSN-структурах полупроводник-сверхпроводник. Вадим Храпай (ИФТТ, Черноголовка).
31. Наблюдение ступенек тока в джозефсоновских структурах при СВЧ-облучении. Олег Астафьев (Сколтех, Сколково).
32. Эффект увлечения в емкостно-связанных джозефсоновских структурах и тонких сверхпроводящих проводах. Андрей Семенов (Сколтех, ФИАН, Москва).
33. Нелинейный СВЧ-отклик в чистых сверхпроводящих пленках. Алексей Радкевич (ФИАН, Москва).
Рис. 1. 9-ая Международной конференции по сверхпроводимости и магнетизму (ICSM'24) и ее статистика.
Доклады участников конференции после прохрждения стандартной процедуры рецензирования предлагается опубликовать в специальном выпуске журнала Journal of superconductivity and novel magnetism.
2. Прогресс в производстве ВТСП-лент 2го поколения и устройств на их основе
О своих последних достижениях в области производства высокотемпературных сверхпроводящих (ВТСП) лент 2-го поколения рассказали представили (рис. 2) из 5 наиболее успешных компаний. Faraday Factory (Япония), компания, производящая ленту по методу IBAD-PLD на полированной металлической ленте-подложке [6—8], компания Shanghai Superconductor (Китай) [9, 10], компания Sunam Co. (Корея) [11, 12], компания Fujikura (Япо-
ния) [13, 14] и компания AM Peers LLC (США), производящая ленту на подложке типа Rabits [15].
Рис. 2. Представители компаний по производству ВТСП-лент 2-го поколения. Слева направо: Hunju Lee (Sunam Co., Южная Корея), Yasuhiro Iijima (Fujikura, Япония), Venkat Selvamanickam (AM Peers LLC, США), Alexander Molodyk (Faraday Factory, Япония), Yutaka Yamada (Shanghai Superconductor, Китай) и модератор сессии -Amit Goyal (University At Buffalo (SUNY-Buffalo), США.
Помимо того, что компании производят ленту по существенно разным технологиям, ленты также отличаются составом по редкоземельному элементу. Если компания Faraday Factory предлагает один из самых простых способов — внедрение центров пиннинга на этапе роста сверхпроводящей пленки за счет смещения стехиометрического состава редкоземельного элемента, то компания Fujikura производит ленты содержащие искусственные центры пиннинга состава EuBa2Cu3O7_5+BaHfO3. Схематическое изображение ВТСП лент этих двух производителей представлено на рис. 3 и 4. Различные типы технологических процессов ВТСП лент представлены на рис. 5. Эти компании достигли впечатляющих результатов эксплуатационных характеристик своих проводников в высоких магнитных полях, а также высокой воспроизводимости, что позволяет им участвовать в крупных проектах по созданию сверхпроводящих магнитных систем (СМС) для установок термоядерного синтеза (УТС). Согласно обнародованным данным к 2024 году компания Faraday Factory планирует нарастить производство до 5500 км ВТСП ленты 2-го поколения, компания Fujikura — порядка 1000 км ленты, а компания Shanghai Superconductor — порядка 2000 км в 2024 году и нарастить производство до 9000 км ленты к 2026 году. Остальные компании на сегодняшний день обладают существенно меньшими технологическими возможностями и производят порядка 2-3-х сотен километров ленты в
Как было уже упомянуто выше, промышленные объемы ВТСП ленты 2-го поколения в большинстве случаев необходимы для создания СМС для УТС. На сегодняшний день не менее 5 компаний задействованы в разработке и создании классического УТС — типа Токамак [16]. Создание СМС для этих установок требуется не менее 10000 км на прототип и 20000 км на
пилотный проект ВТСП ленты 2-го поколения. В дополнение к этому еще порядка 5 компаний занимаются разработкой и созданием другой разновидности УТС — стелларатора. Участники проектов, а также требуемое количество ленты представлено на рисунке 6 [17].
Рис. 3. Схематическое изображение ВТСП ленты 2-го поколения производства компании Shanghai Superconductor [9].
Рис. 4. Схематическое изображение процесса напыления и ВТСП ленты 2-го поколения компании Faraday Factory [6].
Рис. 5. Список компаний и технологический процесс производства ВТСП лент 2-го поколения [6].
Pilot plant »20,000 km 4 mm Рис. 6. Список компаний, занимающихся разработкой УТС с СМС на базе ВТСП лент 2-го поколения [16, 17].
Отдельная секция была посвящена важной теме, касающейся использования ВТСП лент 2-го поколения в СМС, ускорительной технике, а именно проблемам влияния ионного, нейтронного и протонного излучения на сверхпроводящие свойства. Это одна из наиболее важных проблем, которые стоят перед разработчиками современных УТС с СМС на базе ВТСП лент 2-го поколения. В процессе эксплуатации СМС ВТСП ленты подвергаются интенсивному воздействию радиационных полей. Это воздействие приводит к повреждениям кристаллической решетки ВТСП, что влечет за собой деградацию сверхпроводящих свойств.
David Fischer из Массачусетского технологического университета, США представил в своем докладе разработанную установку для криогенного ионного облучения лент REBCO с возможностью измерения транспортного тока in-situ. Это позволяет оценивать радиацион-но-индуцированные изменения критического тока (Ic) и температуры перехода (Tc) без нагрева образцов. Таким образом, удается избегать нерепрезентативных эффектов отжига. По полученным результатам облученных лент REBCO протонами с энергией 1.2 МэВ при различных температурах от 20 K до 300 K отчетливо наблюдается различное поведение после холодного и теплого облучения. Для облучения при 300 К требуется на 50 % больший флюенс, чтобы достичь такой же деградации Ic, как и при облучении при 20 К. Однако облучение при 77 K и 20 K дает одинаковые результаты. Этот вывод может значительно снизить сложность и стоимость будущих экспериментов по облучению [18, 19]. Результаты по облучению протонами и нейтронами представлены на рис. 7 и 8.
По данной тематике также были представлены актуальные результаты [20] по облучению тяжелыми ионами Xe и Bi различной энергии и флюенса. Авторами этой работы были получены результаты систематических исследований электрофизических параметров и микроструктуры образцов до и после облучения ионами Хе с энергией 167 МэВ и флюенсами до 1012 см-2. Установлены оптимальные значения флюенса, при которых наблюдаются пиковые значения критического тока для различных внешних условий (см. рисунок 9). Более подробно об этих результатах изложено в работе [21]
Ashleigh Francis из компании Commonwealth Fusion System (CFS) рассказала о текущем состоянии разработки будущего Токамака SPARC с СМС на базе ВТСП лент 2-го поколения, таблица 1 [22]. Токамак SPARC (рис. 10) содержит три магнитные системы: восемь катушек полоидального поля, центральный соленоид, состоящий из шести модулей, и 18 катушек тороидального поля, рис. 8 [22, 23]. Общий километраж ВТСП ленты 2-го поколения для этих магнитов составит ~ 10000 км, и все они должны быть охарактеризованы к 2024 году по параметру эффективности Ic (20 K, 20 Тл, B||c). Ic (20 K, 20 Тл, B||c) оценивается для большей части ленты с помощью «lift factor», который определяется как линейное масштабирование между I
С.Г. Овчинников, П.Н. Дегтяренко, Е.Ю. Дегтяренко, Т.Е. Кузьмичёва (77 K) в собственном поле (SF) и Ic (20 K, 20 Тл) [24].
REBCO tapes after neutron irradiation at 330 К
AMSC 344C, 15T, H И С
100
< 10
1 1 1 1 1 1 ja— I
\
А 40 К Л
1г 50 К i N
- ^""""-А i. ^ч. 64 К i i i rS i i _L
Fluence region where degradation starts for I at low temperatures
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 Fast neutron fluence (1022 m"2)
Рис. 7. Влияние облучения нейтронами на критический ток ВТСП лент 2-го поколения производства компании American Superconductor [18].
proton fluence for 300K irradiation (m 2) 4 6 8
xlO!°
т •«" Is this also true for in-field behavior?
• Î : Will fusion magnets degrade 1.6 times faster
* than anticipated - at a fast neutron fluence of 2xl022m"2 instead of 3xl022m"2???
о • ♦
« » * ■ V .
• ▼
♦ ▼ т • * 5* 4 1 (20-25K)
1 measured in self-field i ♦ я lc(77K
proton fluence for 20K-200K irradiation (m-î )
Рис. 8. Влияние облучения протонами с энергией 1.2 МэВ на сверхпроводящие свойства ВТСП ленты 2-го поколения производства компании Faraday Factory [18].
- □ - 1 Тл -О - 3 Тл - -A- 8 Тл :
dp-- ^ ) A 20K \ N 4 N \
Т-'-1-'-г
0,00 0,25 0,50 0,75 1,00
Рис. 9. Зависимость нормированного критического тока образцов ВТСП ленты 2-го поколения от нормированного флюенса ионов Хе энергией 167 МэВ в полях 1, 3 и 8 Тл и температуре 20К [21].
Рис. 10. Параметры будущей СМС на основе ВТСП лент 2-го поколения будущего Токамака SPARC компании CFS [22].
Таблица 1. Параметры изолированной магнитной системы SPARC [22].
Parameter and units CS PF
Modules description Three upper + three lower coils Three upper + three lower coils
Module 1 inner diameter/ outer radius/ height, m 0.445/0.695/0.984 0.79/1.05/0.269
Module 2 inner diameter/ outer radius/ height, m 0.454/0.695/0.472 1.468/1.832/0.269
Module 3 inner diameter/ outer radius/ height, m 0.454/0.695/0.472 2.494/2.806/0.215
Module 4 inner diameter/ outer radius/ height, m -- 3.72/3.98/0.323
Peak stored energy (full system), MJ 886 409
Module 1 Peak field, T 25 7.6
Module 2 Peak field, T 18 8.6
Module 3 Peak field, T 16 8.1
Module 4 Peak field, T -- 5.8
Peak winding pack current density, A/mm2 113 87
Peak ramp rate during plasma drive, T/s 4.6 0.8
Average winding pack stress (full current), MPa -180 150
Average winding pack stress (off), MPa -240 0
Winding style Layer Pancake
Total cable length required, km 13.1 5.1
Доклад Николо Рива из компании Próxima Fusion [25] был посвящен одному из самых амбициозных на сегодняшний день проектов, созданию Стелларатора. Компания Próxima Fusion создана Институтом физики плазмы имени Макса Планка (IPP), который разработал и эксплуатирует W7-X, самый современный стелларатор на планете. Próxima внедряет философию «инженерного подхода» к проектированию стеллараторов, работающих в стационарном режиме. Компания придерживается концепции «квазиизодинамических» (QI) стеллараторов, в которых отсутствует чистый тороидальный ток в плазме. В отсутствие тороидальных токов устраняются неустойчивости, и, следовательно, инженерные ограничения могут быть значительно ослаблены, что открывает путь к коммерческой эффективности термоядерной энергетики. Более того, ключевые показатели эффективности термоядерных устройств (как токама-ков, так и стеллараторов) быстро меняются в зависимости от магнитного поля. Использование ВТСП магнитов является решающим фактором для реализации компактных термоядерных устройств, рисунок 11.
Рис. 11. Схематическое обоснование использования ВТСП лент 2-го для создания СМС будущего европейского Стелларатора [25].
Виталий Сергеевич Высоцкий из Всероссийского института кабельной промышленности (Россия) рассказал о своем видении, каким образом можно решать проблему распространения нормальной зоны в СМС различного типа на базе ВТСП лент 2-го поколения [26]. Основная идея решения этой проблемы заключается в изменении подхода анализа процессов режима нагрева-охлаждения, изменения критерия определения критического тока и уменьшения показателя вольтамперных характеристик ВТСП лент 2-го поколения.
3. Прогресс в исследовании железосодержащих сверхпроводников
В настоящее время активно исследуются железосодержащие сверхпроводники, открытые Hosono и др. в 2008 году, и возможность их использования для создания магнитных систем, рисунок 12 [27].
Обладая рядом уникальных свойств, таких как верхнее критическое поле Hc2~100 T, низкое значение анизотропии у = 2, критическая температура ~ 58 K, высокая плотность критического тока 107А/см2, данные сверхпроводники являются идеальными кандидатами для практического применения [28]. Кроме всего прочего, стоимость провода на основе железосодержащих сверхпроводников может быть значительно ниже, чем у Nb3Sn, таблица 2 [29]. Спустя
15 лет активных исследований, значительного прогресса в данном направлении достигли китайские ученые под руководством профессора Yanwei Ma [29]. На основе железосодержащих сверхпроводников соединения (Ba,K)Fe2As2, ими были получены провода методом «порошок в трубе». После десятилетия исследований и разработок величина Jc лент на основе BaK-122 достигла значительного прогресса и демонстрирует почти изотропную зависимость от поля. Наилучший уровень Jc (4.2 К, 10 Т) коротких и длинных лент BaK-122 PIT достиг 2.6x105 А/см2 и 6.6х104 А/см2, соответственно, что показывает перспективность железосодержащих сверхпроводников для применения в высоких магнитных полях, например, > 20 Т при 4.2 К или > 10 Т при 20-30 К [30 - 35].
Рис.12. Прогресс в исследовании железосодержащих сверхпроводников [28].
Таблица 1. Цена ($) и сверхпроводящие свойства сверхпроводников-кандидатов для применения в высоких магнитных полях [29].
Материал P фактор Цена ($) t (K) ^0Hc2T (4.2 K) J intra (A/cm2) J inter (A/cm2) JE (A/cm2)
Nb-Ti 3 ~ 2 x 103 9.2 11 - 0 0
Nb3Sn 6-7 ~ 1.5 x 104 18 26 - ~ 4 x 104 ~ 2.8 x 104
Bi-2212 ~ 10 ~ 1 x 105 85 ~ 100 - ~ 6 x 105 ~ 1.2 x 105
REBCO >> 10 ~ 1 x 105 92 ~ 120 ~ 106 ~ 2 x 106 ~ 4.2 x 104
BaK122 ~ 10 < 4 x 103 39 ~ 90 ~ 6 x 105 ~105x 105 ~ (0.15-2) x 104
Несмотря на достигнутый прогресс, повышение критических характеристик проводов на основе железосодержащих сверхпроводников, а именно качества материала прекурсо-
ра, остается важной задачей. В этом направлении активно работает группа японских ученых. На конференции был представлен интересный полупленарный интересный доклад Akiyasu Yamamoto из Японии о прогрессе использования информационных технологий для сверхпроводников на основе железа [36]. А именно о последних достижениях в области передового материаловедения, интегрированного с информационными технологиями, таких как использование конволюционной нейронной сети для анализа микрофаз, специализированное программное обеспечение BOXVIA для проектирования процессов на основе данных и многомасштабный нано-/микроструктурный анализ с интегрированным моделированием, для обработки спеченных в искровой плазме поликристаллических пниктидов (Ba,K)Fe2As2, полученных методом искрового плазменного спекания, синтезированных из предварительно подготовленного механохимическим методом прекурсора путем высокоэнергетического измельчения [37].
До сих пор среди семейств железосодержащих сверхпроводников самую высокою критическую температуру сверхпроводящего перехода демонстрирует оксипниктид допирован-ный фтором на основе Sm (SmFeAsO1 хБх: Бт-1111) Т ~ 58 К (для х = 0.25) [38]. Тем не менее синтез высококачественных образцов при атмосферном давлении с помощью традиционного процесса синтеза (CSP) представляет собой сложную задачу, которая может быть связана с испарением легких элементов, таких как мышьяк и фтор [39-41]. Эти проблемы приводят к образованию примесных фаз и снижению критической плотности тока (Гс). Shiv Singn из лаборатории физики высоких давлений во Вроцлаве рассказал о методе высокотемпературного синтеза под высоким давлением (HP-HTS). HP-HTS может стать перспективным способом улучшения качества образцов и сверхпроводящих свойств сверхпроводников на основе железа [38-41].
Относительно небольшое число докладов было посвящено представлению результатов фундаментальных исследований железосодержащих сверхпроводников и родственных соединений. Г. Клауссом (Технический университет Дрездена, Германия) и В.А. Гриненко (Шанхайский университет Цзяотун, Китай) сообщалось об обнаружении уникального состояния с нарушенной симметрией обращения времени в сильно передопированных пниктидах Ва1 xKFe2As2 (х ~ 0.70-0.85) с помощью мюонной спектроскопии и измерений эффекта Нернста. Такое состояние подразумевает образование «куперовских четверок» (т. н. четырех-фермионного конденсата), а также существование вихрей Абрикосова, несущих дробное число квантов потока [42, 43].
С помощью туннельной спектроскопии и измерений теплоемкости одним из авторов данной работы были представлены данные о структуре сверхпроводящего параметра порядка в пниктидах Na(Fe,Co)As на основе щелочного металла: показана многощелевая сверхпроводимость и предположительная анизотропия большой сверхпроводящей щели Д в импульсном пространстве [44]. Впервые напрямую эволюция структуры сверхпроводящего параметра порядка вдоль фазовой диаграммы допирования: показан заметный рост анизотропии Д в не-додопированной области (по сравнению с передопированным составом с близкой Тс), указывающий на важность спиновых и/или нематических флуктуаций и их влиянии на свойства сверхпроводящей подсистемы Na(Fe,Co)As [45].
И.В. Морозовым (Химический факультет МГУ, Россия) впервые представлен успешный синтез монокристаллов сверхпроводящих висмутидов BaAu18В^, переходящих в сверхпроводящее состояние при критической температуре Тс ~ 5.5 К [46]. Подобные висмутиды являются не только стехиометрическим аналогом пниктидов семейства BaFe2As2 и, согласно расчетам [46], но также имеют схожую с ними зонную структуру.
В работе [47] показаны результаты исследования монокристаллов пниктида железа №Бе1 ^о^Ля и селенида КхБе2уБе2тБт. Подробно изучена дефектная структура на атомарном уровне с помощью электронной микроскопии высокого разрешения (НКГЕМ). Установлен механизм пиннинга вихрей в монокристаллах Со As и К Бе Бе S .
А А 1-х х х 2-у 2-й т
Исследование монокристаллов железосодержащего сверхпроводника системы 12442 (KCa2Fe4As4F2) были представлены в работе [48]. С помощью электронной микроскопии
высокого разрешения были обнаружены планарные дефекты || ab, которые представляют собой монослои CaFeAsF и KFe2As2. Обнаружен вклад дефектов CaFeAsF в тунельный ток. Путем наблюдения эффекта андреевских отражений в ScS-контакте определена величина большой щели CaFeAsF и её температурное поведение вплоть до локальной Tc ~ 28 K, которая лежит ниже Tc ~ 34 K для соединения KCa2Fe4As4F2. Кроме того, данные дефекты могут выступать в качестве дополнительных центров пиннинга. Симметричный характер петель гистерезиса указывает на преобладании объемного пиннинга в образце. Рассчитанная плотность критического тока составила Jc ~ 106 А/см2. Также мы обнаружили второй пик намагниченности (SMP) при высоких температурах (вблизи Tc), что не соответствует обычному положению SMP в родительских соединениях. При измерении первого критического поля в обеих ориентациях наблюдается существенное отличие в температурных зависимостях Hc1(T).
Расчет зонной структуры родственного соединения KCa2Fe4As4O2 был представлен Н. Павловым (Институт электрофизики УрО РАН, Россия). В отличие от большинства железосодержащих сверхпроводников, в KCa2Fe4As4O2 авторами предсказано существование дырочного листа поверхности Ферми, образованного 2px, 2ру-орбиталями кислорода и представляющего собой «пропеллер» вокруг Г-точки зоны Бриллюэна [49]. Смоделировано влияние допирования и спин-орбитального взаимодействия на вид поверхности Ферми. Проведено сравнение зонных структур исследованного материала, сверхпроводников семейства 1144, ВТ-СП-купратов, обсуждается возможность появления сверхпроводимости в KCa2Fe4As4O2.
4. Бесконечнослоевой никелат La3Ni2O7 — структурный аналог ВТСП-купратов
Отдельная секция конференции была посвящена сообщениям об исследовании никела-тов семейства La3Ni2O7. Эти соединения имеют структуру на основе атомов никеля в октаэдри-ческом кислородном окружении, формирующую вдоль кристаллографического с-направления стопку, аналогичную «бесконечнослоевому» ВСТП-купрату (рис. 13а). Хотя сверхпроводимость в никелатах предсказывалась достаточно давно (см., например, [50]), первые сообщения о ее экспериментальном обнаружении стали появляться только в 2023 г. [51-53].
М. Ванг (Университет Чжуншань, Китай) представил данные работ [54-56], показывающие, что при атмосферном давлении никелат La3Ni2O7 имеет структуру с группой симметрии Amam, в которой октаэдры повернуты друг относительно друга на угол 168° (рис. 13b слева). На резистивных зависимостях R(T) присутствуют особенности при Т* ~ 150 К, которые могут быть проявлением некоего упорядоченного состояния («density wave» (DW) — волн плотности [56, 57]). При увеличении давления до P ~ 2-3 ГПа температура упорядочения Т* падает до нуля, как показано на фазовой диаграмме давления на рис. 11 с. Р. Хасанов (Институт Пауля Шеррера, Швейцария) также сообщил о наблюдении волны спиновой плотности (ВСП/SDW — spin density wave) в La3Ni2O7, соизмеримой с постоянной кристаллической решетки [57] с помощью мюонной спектроскопии, причем температура ВСП-упорядочения слабо возрастала при увеличении давления.
При приложении внешнего давления P ~ 12-13 ГПа связь Ni—O—Ni кристаллической структуры выравнивается, и происходит структурный переход в орторомбическую фазу с симметрией Fmmm (рис. 13b справа). Именно в такой фазе, обладающей более высокой симметрией, реализуется сверхпроводимость [54-56]. Критическая температура La3Ni2O7 достигает Тс ~ 80 K [54-56] (рис. 13с), что сравнимо с таковой для ВТСП-купратов и делает никелаты весьма перспективными для дальнейших фундаментальных и прикладных исследований. Отметим, что авторам работ [54, 56] на резистивных зависимостях R(T) при высоких давлениях воспроизводимо наблюдался сверхпроводящий переход, однако ниже Тс сопротивление не обращалось в ноль. В недавней работе [56] авторам удалось вырастить высококачественные монокристаллы La3Ni2O7, демонстрирующие R(T) ^ 0 при T < T Выше Тс наблюдается неклассическая, практически линейная зависимость сопротивления от температуры [56] (рис. 13d).
Рис. 13. (а) Кристаллическая структура La3Ni2O7. (Ь) Изменение №—О—№ угла при структурном переходе между Атат-типом (при атмосферном давлении) и Fmmm-типом (при высоких давлениях). Рисунки (а, Ь) взяты из [54], рисунок (с) — из [55].
Результаты зонных расчетов для La3Ni2O7 (при различных давлениях), также представ-ленны М. Вангом и Р. Хасановым [56, 57] (рис. 14а), были подтверждены с помощью фотоэмиссионной спектроскопии с угловым разрешением (ФЭСУР) [58] (рис. 14b). На поверхности Ферми показано сосуществование двух типов дырочных зон: «арок» вокруг X/Y-точек, схожих с таковыми для ВТСП-купратов, и слабо гофрированных вдоль ^-направления цилиндров вокруг Г точки. Подобный вид поверхности Ферми также близок к рассчитанному для висмути-дов семейства RbCd2Bi2, выращенных группой И.В. Морозова [T5].
На обоих типах листов поверхности Ферми в La3Ni2O7 ниже Тс может образовываться несколько сверхпроводящих конденсатов. Ф.-Ч. Жанг (Университет Академии наук Китая) и К. Куроки (Университет Осаки, Япония) представили теоретические расчеты, описывающие многощелевой сверхпроводящее состояние La3Ni2O7 под давлением [59-61]. В частности, пользуясь аналогией с широко известной спин-флуктуационной моделью куперовского спаривания для купратов, предсказывающей J-волновую симметрию сверхпроводящего параметра порядка (в качестве обзора см. [59]), Куроки и соавторы предложили двухзонную модель, в рамках которой в La3Ni2O7 реализуются две сверхпроводящие щели с J-волновой симметрией (рис. 14c).
Интересно отметить, что авторами [57] с помощью ФЭСУР наблюдалась плоская зона (седловая точка) в M—Г—M-направлении, расположенная примерно на 50 мэВ ниже уровня Ферми (см. рис. 14а справа). Аналогичная протяженная сингулярность ван Хова наблюдалась ранее [60] в ВТСП-купратах семейства YBaCuO. Такая особенность зонной структуры дает корневую расходимость плотности электронных состояний вблизи уровня Ферми (вместо классической логарифмической, предсказываемой теорией Бардина-Купера-Шриффера) и, согласно теории ВТСП-купратов А.А. Абрикосова [61] позволяет снять фундаментальное ограничение на величину Т а также объяснить отсутствие изотопического эффекта в купратах в области оптимального допирования [61, 62].
Рис. 12. (а) Схема поверхности Ферми Ьа3№207 (слева). Справа приведен фрагмент зонной структуры в направлении М—Г—М (срез 1 на схеме слева), полученный с помощью ФЭСУР. (Ь) Поверхность Ферми по данным ФЭСУР. (с) Расчет парциальных туннельных плотностей состояний ниже Т для двух типов дырочных зон (цвета соответствуют панели (а)). Рисунки (а, Ь) взяты из [57], рисунок (с) — из [60].
Учет влияния протяженной сингулярности ван Хова при теоретическом описании сверхпроводящей подсистемы был представлен Д. Ефремовым (Институт физики твердого тела и материаловедения им. Лейбница, Германия) применительно к Бг^и207 [63]. Остается надеяться, что подход Абрикосова будет также применен к никелатам семейства Ьа3№207 для описания их сверхпроводящих свойств, а также поиска фундаментальных закономерностей физики высокотемпературной сверхпроводимости.
6. Выводы
Международная конференция ГСБМ'24 важна для взаимодействия российских ученых с мировым научным сообществом. Самые многочисленные делегации были представлены участниками из следующих стран: Турции, России, США, Китая и Японии.
Развитие высокотемпературной сверхпроводимости движется очень активно. Из материалов конференции отчетливо видно, что основные работы ведутся в области создания СМС на основе ВТСП лент 2-го поколения для будущих установок термоядерного синтеза. Это создает потребность больших объёмов ВТСП лент 2-го поколения, совершенствовании их свойств и поиске удешевления технологии производства. В этом направлении ведутся работы по постоянному исследованию свойств ВТСП в различных полях и при различных температурах, включая исследования токовых характеристик ВТСП лент при эксплуатации в радиационных полях (нейтроны, ионы, протоны, гамма-кванты и др.).
Выход в промышленные масштабы железосодержащих сверхпроводников и устройств на их основе, по-видимому, ожидается в ближайшие 5-10 лет, так как сверхпроводящие характеристики уже достигли эксплуатационного начального уровня. Но до сих пор имеется ряд вопросов связанных с повышением свойств материала.
Фундаментальные исследования железосодержащих сверхпроводников, несмотря на
их активное изучение в течение 16 лет, пока далеки от завершения. Однако, все больше исследовательских групп приступили к сравнению и обобщению данных о свойствах пниктидов и селенидов железа: определению эволюции зонной структуры и энергетических параметров сверхпроводящей и магнитной подсистем при вариации температуры, степени допирования и давления, а также при изменении состава. Намечается тенденция к систематизации свойств наиболее перспективных сверхпроводников: поиску связи между особенностями кристаллической и зонной структурой ВТСП-купратов, никелатов и пниктидов семейств 12442 и 1144. Несомненно, совместная работа теоретиков и экспериментаторов в этом направлении сможет пролить свет на природу ВТСП и приблизит создание ВТСП-материалов с заданными свойствами.
Благодарности
С. Г. Овчинников выполнил свою часть данной работы в рамках научной тематики Госзадания ИФ СО РАН.
Литература
[1] 9th International conference on superconductivity and magnetism (ICSM'24). https://icsmforever.
[2] H. Sun, et al., Nature 621, 493-498 (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-06408-7
[3] Y. Zhang, et al., Nature Physics. 1-5 (2024). DOI: 10.1038/s41567-024-02515-y
[4] V. I. Anisimov, et al., Phys. Rev. B 59, 7901 (1999). DOI: 10.1103/PhysRevB.59.7901
[5] Y. Yang, et al., Phys. Rev. B 108, L201108 (2023). DOI: 10.1103/PhysRevB.108.L201108
[6] A. Molodyk, et al., ICSM'24. Abstract Book, 225. https://icsmforever.org/
[7] A. Molodyk, ICSM'24. Program Book, 9. https://icsmforever.org/
[8] S. Lee, et al., ICSM'24. Abstract Book, 225. https://icsmforever.org/
[9] Y. Yamada, ICSM'24. Program Book. 9. https://icsmforever.org/
[10] Y. Yamada, ICSM'24. Program Book. 35. https://icsmforever.org/
[11] H. Lee, ICSM'24. Abstract Book, 230. https://icsmforever.org/
[12] H. Lee. ICSM'24. Program Book, 9. https://icsmforever.org/
[13] Y. Iijima, ICSM'24. Program Book, 9, https://icsmforever.org/
[14] Y. Iijima, et al., ICSM'24. Abstract Book, 228. https://icsmforever.org/
[15] V. Selvamanickam. ICSM'24. Program Book, 9. https://icsmforever.org/
[16] P. Rodriguez-Fernandez, et al., Nucl. Fusion 62 042003 (2022). DOI: 10.1088/1741-4326/ac1654
[17] Forum FUSION Deutschland. Proxima Fusion's Stellarator Reactor Program. https://www. filo.kit.edu/downloads/Forum%20FUSION%20Dtl/Event_4FFD_071223/Presentations/Proxima_ Fusion.pdf
[18] D.X. Fischer, et al., ICSM'24. Abstract Book, 538. https://icsmforever.org/
[19] Y. Linden, et al., J Microscopy, 1-10 (2022). DOI: 10.1111/jmi.13078
[20] P. Degtyarenko, et al., ICSM'24. Abstract Book. 543, https://icsmforever.org/
[21] П. Н. Дегтяренко П.Н., и др. ЖЭТФ 165, 827 (2024). DOI: 10.31857/S0044451024060099
[22] A. Francis, et al., ICSM'24. Abstract Book, 224. https://icsmforever.org/
[23] A. J. Creely, et al., J. Plasma Phys. 86, 865860502 (2020). DOI: 10.1017/S0022377820001257.
[24] A. Greenberg, et al., IEEE Trans. Appl. Supercond. 34, 6602105 (2024) DOI: 10.1109/ TASC.2024.3360937
[25] N. Riva. ICSM'24. Abstract Book, 535. https://icsmforever.org/
[26] V. Vysotsky. ICSM'24. Abstract Book, 282. https://icsmforever.org/
[27] Yanwei Ma, et al., High performance iron-based superconducting wires: fabrication and properties. IEEE-CSC, ESAS and CSSJ SUPERCONDUCTIVITY NEWS FORUM, (2024). https:// snf.ieeecsc.org/files/ieeecsc/slides/Ma%20presentation.pdf
[28] Y. Kamihara, et al., J. Am. Chem. Soc. 130, 3296 (2008). DOI: 10.1021/ja800073m
[29] M. Bristow, et al., Phys. Rev. B 101, 134502 (2020). DOI: 10.1103/PhysRevB.101.134502
[30] C. Dong, et al., Nat. Sci.Rev., nwae122 (2024). D0I:10.1093/nsr/nwae122
[31] D. Wang, et al., Supercond. Sci. Technol. 32, 04LT01 (2019). DOI 10.1088/1361-6668/ab09a4
[32] Z. Zhang, et al., Supercond. Sci. Technol. 34, 035021 (2021). DOI 10.1088/1361-6668/abb11b
[33] H. Ding, et al., Supercond. Sci. Technol. 36, 11LT01 (2023). DOI 10.1088/1361-6668/acfa29
[34] Z. Zhang, et al., IEEE Trans. Appl. Supercond. 30, 4602404 (2020). DOI: 10.1109/ TASC.2020.2976987
[35] X. Qian, et al., Phys C Supercond. Appl. 580, 1353787 (2021).
[36] A. Yamamoto, ICSM'24. Abstract Book, 224. https://icsmforever.org/
[37] Z. Guo, et al., Acta Materialia 266, 119648, 1-9 (2024). DOI:10.1016/j.actamat.2024.119648
[38] S. Singh, ICSM'24. Abstract Book, 358. https://icsmforever.org/
[39] M. Manasa, et al., IEEE Trans. Appl. Supercond. 34, 7300605 (2023). DOI: 10.1109/ TASC.2023.3345821.
[40] M. Azam, et al., Crystals 13, 1525 (2023). DOI: 10.3390/cryst13101525
[41] M. Azam, et al., IEEE Trans. Appl. Supercond. 34, 7300205 (2023). DOI: 10.1109/ TASC.2023.3341858
[42] V. Grinenko et al., Phys. Rev. B 95, 214511 (2017). DOI: 10.1103/PhysRevB.95.214511
[43] I. Shipulin et al., Nat Commun 14, 6734 (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-42459-0
[44] S.A. Kuzmichev, et al., JETP Lett. 117, 612 (2023). DOI: 10.1134/S0021364023600751
[45] S.A. Kuzmichev, et al., JETP Lett. (2024). DOI:10.1134/S0021364024602008
[46] A.I. Shilov, et al., Crystals 14, 155 (2024). DOI: 10.3390/cryst14020155
[47] A. Yu. Degtyarenko, et al.ICSM'24. Abstract Book. P. 658. https://icsmforever.org/
[48] A. Yu. Degtyarenko, et al. ICSM'24. Abstract Book. P. 622. https://icsmforever.org/
[49]N.S.Pavlov,etal., Comput.Mater.Sci. 218,111916(2023).DOI:10.1016/j.commatsci.2022.111916
[50] V.I. Anisimov, et al., Phys. Rev. B 59, 7901 (1999). DOI: 10.1103/PhysRevB.59.7901
[51] H. Sun, et al., Nature 621, 493 (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-06408-7
[52] J. Hou, et al., Chin. Phys. Lett. 40, 117302 (2023). DOI: 10.1088/0256-307X/40/11/117302
[53] Y. Zhang, et al., Nature Phys. (2024). DOI: 10.1038/s41567-024-02515-y
[54] R. Khasanov, et al., arXiv:2402.10485 [unpublished].
[55] J. Yang, et al., Nature Comm. 15, 4373 (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-48701-7
[56] Y.F. Yang, et al., Phys. Rev. B 108, L201108 (2023). DOI: 10.1103/PhysRevB.108.L201108
[57] H. Sakakibara, et al., Phys. Rev. B 109, 144511 (2023). DOI: 10.1103/PhysRevB.109.144511
[58] Y. Wang, et al., arXiv:2401.15097v1 [unpublished].
[59] Yu.A. Izyumov, Physics-Uspekhi 42, 215 (1999). DOI: 10.1070/PU1999v042n03ABEH000473
[60] K. Gofron, et al., Phys. Rev. Lett. 73, 3302 (1994). DOI: 10.1103/PhysRevLett.73.3302
[61] A.A. Abrikosov, Physica C 341-348, 97 (2000). DOI: 10.1016/S0921-4534(00)00399-3
[62] A.A. Abrikosov, Physica C 233, 102 (1994). DOI: 10.1016/0921-4534(94)00497-8
[63] D.V. Efremov, et al., Phys. Rev. Lett. 123, 207202 (2019). DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.207202
On the International inference on Superconductivity and Magnetism in Turkey (ICSM'24)
S. G. Ovchinnikov1, P. N. Degtyarenko2, A. Yu. Degtyarenko3, T.E. Kuzmicheva3
1 Kirensky Institute of Physics, Federal Research Center KSC SB RAS, 660036, Krasnoyarsk, Russia
2 S-Innovations LLC, 20-2 Nauchnyi proezd, 117246, Moscow, Russia
3 Lebedev Physical Institute of the Russian Academy of Sciences, Leninsky ave. 53, 119991 Moscow, Russia * e-mail: sgo@iph.krasn.ru
This article reports some results from the 9th International Conference on Superconductivity and Magnetism which was held in Oludeniz, Turkey.
Keywords: ICSM'24; superconductivity; magnetism.
Сергей Геннадьевич Овчинников — проф. д.ф.-м.н., Институт физики им. Л.В. Киренского ФИЦ КНЦ СО РАН
Prof., Dr. Sergey Ovchinnikov — Head of the Department of Theoretical Physics and Wave Phenomena, Head of Laboratory. Physics of magnetic phenomena, Kirensky Institute of Physics, Federal Research Center KSC SB RAS
Павел Николаевич Дегтяренко — кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Объединенного института высоких температур Российской академии наук
Dr. Pavel Degtyarenko — Senior Researcher, Joint Institute for High Temperatures of the Russian Academy of Sciences
Алёна Юрьевна Дегтяренко — вк. м.н.с. научный сотрудник, Центра ВТСП и квантовых материалов Физического института им. П.Н. Лебедева РАН
Alena Degtyarenko — research fellow, Ginzburg Center for High-Temperature Superconductivity and Quantum Materials, Lebedev Physical Institute, Russian Academy of Sciences
Татьяна Евгеньевна Кузьмичева — вк. с.н.с., к.ф.-м.н. Центра ВТСП и квантовых материалов Физического института им. П.Н. Лебедева РАН
Dr. Tatiana Kuzmicheva, senior researcher, Ginzburg Center for High-Temperature Superconductivity and Quantum Materials, Lebedev Physical Institute, Russian Academy of Sciences
