Высокотемпературная сверхпроводимость начинается с наноразмера

Высокотемпературная сверхпроводимость не возникает внезапно. Она начинается в изолированных фрагментах которые постепенно расширяются до тех пор, пока они не распространятся на всю поверхность. Это открытие, сделанное в результате наблюдений на атомном уровне в Корнельском университете (Cornell University, г. Итака, штат Нью-Йорк, США) и Токийском университете (University of Tokyo), предполагает новое понимание сути загадочного состояния «псевдозазора», наблюдаемого в высокотемпературных сверхпроводниках.

Возможно, это следующий шаг на пути создания новых материалов, которые обладают сверхпроводимостью при достаточно «высоких» температурах, что может привести к революции в электротехнике. 

Используя исключительно точные сканирующие туннельные микроскопы (STM), с помощью которых можно наблюдать состояние электронов вокруг атомов, международная исследовательская группа под руководством профессоров Симус Дэвис (J.C. Séamus Davis) и Хайденори Такаги (Hidenori Takagi) из Токийского университета впервые наблюдала, как изменяется высокотемпературный сверхпроводник в результате изменения его химического состава. Учёные обнаружили, что по мере добавления «легирующих» атомов появляются небольшие, разбросанные участки сверхпроводимости, некоторые из них размером всего несколько атомов. Они растут до тех пор, пока не начинают соприкасаться и, в конце концов, заполняют всё пространство, вследствие чего весь материал становится сверхпроводником. Как говорит профессор Дэвис, некоторые теоретики представляли, что всё происходит именно так, но до настоящего времени подтверждения этому не было. Сообщение о проведенном международной группой исследовании было опубликовано 20 мая в онлайновом выпуске журнала Nature Physics.

Явление сверхпроводимости, при которой электрический ток протекает при нулевом сопротивлении, было впервые открыто в металлах, охлаждённых до температуры, очень близкой к абсолютному нулю (минус 273 градуса по Цельсию). Новые материалы под названием «купраты», а именно оксиды меди, «легированные» другими атомами, становятся сверхпроводящими при достаточно «высокой» температуре – минус 123 градуса по Цельсию. При исследовании высокотемпературных сверхпроводников с помощью сканирующих туннельных микроскопов и других приборов можно обнаружить
«энергетический интервал», где отсутствуют свободные электроны. Как говорит теория, электроны ушли, чтобы объединиться в «медные пары», которые способны передавать электрический ток без помех.

Загадкой для физиков является тот факт, что иногда такой энергетический зазор возникает, но материал всё же не становится сверхпроводящим – так называемая фаза «псевдозазора». Такой псевдозазор возникает при более высоких температурах, чем любая фаза сверхпроводимости, что предполагает возможность создания когда-нибудь материалов, которые будут сверхпроводящими при комнатной температуре или близкой к ней. Учёные использовали сканирующие туннельные микроскопы для сканирования поверхности частями, меньшими чем атом, измеряя при этом, какие электронные энергетические уровни заняты, и какие электроны «блещут» своим отсутствием. Они исследовали серию образцов материала, известного как легированный натрием купрат кальция, подготовленных с постепенным увеличением содержания натрия.  По мере добавления натрия в смесь он вытесняет атомы кальция, изменяя кристаллическую структуру и расположение электронов не совсем понятным образом. Этот конкретный купрат был выбран из-за его простого химического состава, позволяющего производить «точную настройку», как объяснил профессор Дэвис.

Наблюдаемое учёными явление никогда ранее не встречалось, потому что большинство купратов резко переходят от псевдозазора к сверхпроводимости. При умеренном уровне легирования сканирующие туннельные микроскопы обнаруживали небольшие разбросанные зоны с характерными чертами псевдозазора. Эти участки также демонстрируют «нарушенную симметрию», где расположение электронов между атомами меди и кислорода различается между «севером и югом» и «востоком и западом» в квадратной кристаллической решётке. Ранее профессор Дэвис и его коллеги обнаруживали эту нарушенную симметрию во время исследований таких же сверхпроводников. По мере увеличения легирующей добавки эти зоны становятся больше и, наконец, соприкасаются друг с другом, а весь образец становится сверхпроводником. Предполагается, что разбросанные участки с псевдозазором возникают вблизи атомов легирующей добавки, но эти атомы не наблюдались в данном исследовании, как сказал профессор Дэвис. Ранее предполагалось, что фаза псевдозазора в купратах может конкурировать со сверхпроводимостью, и это необходимо устранить до того, как может возникнуть сверхпроводимость. По словам учёных, их исследование показало, что эта фаза может быть полезной – это необходимый этап в развитии сверхпроводимости.

Эти исследования были осуществлены при поддержке Министерства энергетики США и Японского общества по содействию науке.