Высокотемпературный сверхпроводник просветили на синхротроне

Сверхпроводящие материалы способны проводить электрический ток без сопротивления, однако, как правило, лишь при крайне низких температурах. Реализация сверхпроводимости в условиях комнатной температуры позволила бы создать передовую энергоэффективную электронику и другие технологии.

Узлы в металле

Международной группе исследователей удалось приблизиться к этой цели. Впервые в многослойной системе на основе меди и кислорода они наблюдали особое электронное состояние, которое назвали «узлы в металле». Оно помогает понять поведение электронов при различных температурах. Статья об открытии опубликована в журнале Nature Communications.

«Сверхпроводимость возникает, когда в двумерную плоскость оксида меди вводятся носители заряда — дырки или электроны», — пояснил соавтор работы Идэта Син-итиро, доцент Научно-исследовательского института синхротронного излучения Хиросимского университета.

Такое легирование образует в проводнике дефекты, которыми затем можно управлять для получения желаемых свойств в определенных условиях.

Высокотемпературные сверхпроводники на основе оксида меди представляют собой многослойные материалы, температура перехода в сверхпроводящее состояние которых зависит от количества слоев (плоскостей) CuO₂. В таких системах могут происходить значительные физические превращения, включая переход в сверхпроводящее состояние, состояние странного металла и другие.

«Эмпирически известно, что температура перехода достигает максимума в трехслойной системе с тремя меднокислородными плоскостями, — отметил Идэта. — Однако причина, по которой достигается наивысшая температура перехода, и то, как ведут себя электроны при этой температуре, долгое время оставались загадкой».

Для изучения поведения электронов в зависимости от легирующих примесей в купратном сверхпроводнике его просветили на синхротроне.

Интенсивные пучки фотонов, генерируемые ускорителем частиц, используются для возбуждения электронов в образце. Можно измерить, как возбужденные электроны движутся, что раскрывает зонную структуру материала — связь между энергией и импульсом электронов.

Когда материал становится сверхпроводящим, в его электронной структуре появляется своего рода энергетический барьер — сверхпроводящая щель, который стабилизирует электроны и не позволяет им легко возбуждаться. И ее размер также можно оценить посредством синхротронной спектроскопии.

Последствия для высокотемпературной сверхпроводимости

«К нашему удивлению, мы обнаружили, что сверхпроводящие электроны существуют при температурах, значительно превышающих температуру перехода, во внутренних меднокислородных плоскостях с очень низкой концентрацией дырок», — сообщил Идэта.

По его словам, эта область с низким легированием и высокой сверхпроводимостью — и есть «узлы металла», которые могут раскрыть механизм возникновения сверхпроводящих электронов при еще более высоких температурах.

«Более того, сверхпроводящая щель, служащая доказательством сверхпроводимости в системе, оказалась значительно больше, чем в обычных сверхпроводниках», — добавил физик.

По его мнению, сверхпроводимость стабилизируется за счет эффекта близости между двумя внешними и одной внутренней меднокислородными плоскостями.

«Именно поэтому трехслойные купратные сверхпроводники демонстрируют наивысшую температуру перехода в сверхпроводящее состояние по сравнению с другими купратами. Это значительный шаг вперед в понимании механизма высокотемпературной сверхпроводимости в купратах», — заключил Идэта.

Дальнейшие исследования будут направлены на повышение температуры перехода купратов в сверхпроводящее состояние.