Оказалось, что новая теория, объясняющая природу сверхпроводимости, дает надежду на достижение устойчивого нулевого сопротивления уже при комнатной температуре.

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.

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.

Биполяронная гипотеза 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 экспериментахв 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.