EN

Квантовые явления в природе

(сверхпроводимость и новый магнетизм в минералах)

При низких температурах многие физические явления не описываются в терминах классической физики, а подчиняются законам квантовой механики. Более того, только при низких температурах наблюдаются такие квантовые эффекты, как сверхтекучесть, сверхпроводимость, бозе-эйнштейновская конденсация, и т.д. Особенно ярко с понижением температуры раскрывается магнетизм, демонстрируя богатейшую палитру экзотических явлений и необычных упорядоченных и неупорядоченных квантовых основных состояний.

Все эти эффекты наблюдаются как в природных, так и в искусственно созданных объектах. Однако, в природных объектах — минералах, красота физических явлений сочетается с красотой камня. Собственно, сверхтекучесть в минералах не наблюдается, хотя один из них, клевеит, сыграл важную роль в изучении этого явления. Как известно, впервые гелий был зарегистрирован в спектре излучения Солнца (отсюда, и название). Его первым земным источником стал диоксид урана (клевеит) UO2, возникающие в котором альфа-частицы и представляют собой ядра гелия. Вначале сверхтекучесть была обнаружена при Т = 2.17 К в изотопе гелия 4He, а затем при Т = 2.6 мК и в изотопе гелия 3He. Открытие каждого из этих эффектов, а также работы по их теоретической интерпретации удостаивались Нобелевских премий, причем роль российских ученых (в частности, выпускников и сотрудников Физического факультета МГУ) очень велика.

Сверхпроводимость, конечно, намного более распространенное явление, хотя и его можно трактовать как сверхтекучесть электронной жидкости. При гелиевых температурах она присутствует в 27 химических элементах и более чем в 1000 сплавов. Кроме того, при сравнительно высоких температурах сверхпроводимость наблюдается в ряде слоистых металлооксидных соединений. Наибольшая температура сверхпроводящего перехода в HgBa2Ca2Cu3O8+δ под давлением уже близка к земным температурам, наблюдаемым на «полюсах холода». В обнаружении сверхпроводимости в указанном соединении важную роль сыграли также работы ученых Московского университета.

Лишь единицы из известных к настоящему времени минералов (общим числом в несколько тысяч) обнаруживают сверхпроводимость. Наиболее известны из них два: миассит Rh17S15 и палладсеит Pd17Se15. Оба этих объекта переходят в сверхпроводящее состояние при низких температурах (Рис. 1a) и обладают очень сложной кристаллической структурой (Рис. 1b).

Рис. 1а. Сверхпроводимость в Rh17S15

Рис. 1b. Кристаллическая структура Rh17S15

Вызывает вопросы обнаруженное недавно «superconducting-like» поведение в минералах ковеллит CuS и клокманнит CuSe, поскольку указанные объекты внешне выглядят как полупрозрачные стекла (Рис. 2а,b).

Рис. 2а. Ковеллит

Рис. 2б. Клокманнит

Наибольший интерес в последнее время вызвало сообщение об обнаружении сверхпроводимости в минерале калаверит AuTe2. В этом объекте со слоистой структурой сверхпроводимость возникает либо под давлением, либо при частичной замене золота на платину (Рис. 3.).

Рис. 3. Кристаллическая структура, минерал, и физические свойства калаверита AuTe2

Что касается обнаружения и исследования необычных физических явлений в минералах, то здесь в последнее время наблюдалась чрезвычайная активность. Так, только за последний год были обнаружены:

•           спиновые димеры в клиноклазе Cu3(AsO4)(OH)3;

•           спиновая щель в малахите Cu2(OH)2CO3;

•           спиновое синглетное состояние в эдвардсите Cd2Cu3(OH)6(SO4)24H2O;

•           фрустрированнная спиновая цепочка в линарите PbCuSO4(OH)2;

•           квантовые линейные цепочки в триппкеите CuAs2O4.

Ограничиваясь лишь одним примером изучения экзотического магнетизма в природных объектах (или искусственных аналогах природных объектов) представим результаты изучения квантовых основных состояний материи в производном от литидионита Na2Cu2Si4O11'2H2O. В структуре этого соединения, принадлежащего к классу цеолитов (то есть «жаждущих»), имеется вода, которая при нагревании может испаряться, а затем вновь поглощаться из атмосферы.

Как базовое соединение Na2Cu2Si4O11'2H2O, так и его безводная форма Na2Cu2Si4O11 показывают синглетное основное состояние, обусловлено димеризацией обменного взаимодействия в CuO6 или CuO5 цепочках этих соединений. Синглетное основное состояние материи принципиально отлично от структур с дальним магнитным порядком и представляет собой как-бы застывшие куперовские пары в сверхпроводнике. Для этого состояние также вводится понятие энергетической щели в спектре элементарных возбуждений.

В цепочках возникает сильное альтернирование обменных взаимодействий.

Измерения магнитной восприимчивости χ c в широком интервале температур подтвердили наличие спиновой щели Δ = 96 K в Na2Cu2Si4O11'2H2O и Δ = 85 K в Na2Cu2Si4O11. Обратимая дегидратация из микропористой структуры этих соединений предоставила уникальную возможность для «настройки» параметров магнитных взаимодействий в этих соединениях (Рис.4.). Следует подчеркнуть, что разрушение спин-синглетного состояния вещества внешним магнитным полем описывается в терминах бозе-эйнштейновской конденсации магнонов.

Рис. 4. Структура и магнитная восприимчивость Na2Cu2Si4O11'2H2O и его безводной формы Na2Cu2Si4O11

В целом, подводя итог краткому изложению сверхпроводимости и экзотического магнетизма в минералах, можно утверждать, что эти объекты предоставили целый ряд замечательных возможностей для изучения квантовых кооперативных явлений в природе. Весь комплекс проводимых в этом направлении исследований направлен на формирование единой физической картины мира, где в гармонии будут находиться такие фундаментальные явления как бозе-эйнштейновская конденсация, сверхтекучесть, сверхпроводимость и магнетизм.

Зав. кафедрой физики низких температур
и сверхпроводимости, профессор А.Н. Васильев