Аннотация:
Учёные добились новых успехов в области исследования высокотемпературной сверхпроводимости. Международная исследовательская группа из Бристольского университета в Великобритании, Университета Радбауд в Нидерландах и соответствующих учреждений в Китае и США нашла экспериментальные доказательства, подтверждающие важную теорию: в купратном высокотемпературном сверхпроводящем материале спиновые флуктуации между электронами могут играть ключевую роль в процессе спаривания электронов. Это исследование, опубликованное в журнале Nature Physics, предоставляет новые доказательства для понимания явления высокотемпературной сверхпроводимости, но исследователи подчеркнули, что еще предстоит пройти некоторый путь, прежде чем полностью объяснить механизм высокотемпературной сверхпроводимости.
Сверхпроводимость — это явление, при котором сопротивление некоторых материалов падает до нуля после падения ниже определенной критической температуры, и ток может продолжать течь без обычных потерь сопротивления. Это свойство делает сверхпроводящие материалы ценными в таких областях, как высокопроизводительные магниты, медицинское оборудование для магнитно-резонансной томографии, прецизионные измерительные приборы и эффективная передача энергии. Однако многие сверхпроводящие материалы должны работать при чрезвычайно низких температурах, а стоимость охлаждения и инженерная сложность ограничивают их широкое использование. Поэтому поиск материалов, способных достигать сверхпроводимости при более высоких температурах, и выяснение лежащих в их основе физических механизмов всегда были важными направлениями исследований в физике конденсированного состояния.
Традиционная теория сверхпроводимости возникла в середине 20 века. Теория БКШ, предложенная Бардином, Купером и Шривером, объясняет принцип работы многих обычных сверхпроводников: колебания решетки в материале могут косвенно способствовать образованию электронных пар, и эти электронные пары совместно переходят в сверхпроводящее состояние с макроскопической квантовой когерентностью.
Однако появление купратных высокотемпературных сверхпроводников поставило под сомнение эту теорию. В 1986 году ученые обнаружили материал из оксида меди, который мог быть сверхпроводником при температурах, значительно превышающих критическую температуру традиционных сверхпроводников. С тех пор критическая температура этого типа материалов продолжает повышаться, а некоторые материалы могут достигать около 150 Кельвинов, или около минус 123 градусов Цельсия, при нормальном давлении. Хотя эта температура все еще значительно ниже комнатной, она значительно снизила порог охлаждения, необходимый для достижения сверхпроводимости.
Проблема в том, что исследователи еще не до конца поняли механизм, с помощью которого электроны в оксиде меди образуют парное состояние, способное создавать сверхпроводимость. Ученые предложили множество теорий, одна из важных точек зрения заключается в том, что коллективные колебания спинов электронов могут вызывать эффективное притяжение между электронами и помогать им образовывать пары.
Спин электрона можно грубо понимать как внутреннее квантовое свойство электронов, связанное с магнетизмом. Спин электронов в материалах не всегда остается статическим, а может претерпевать сложные изменения во времени и пространстве. Считается, что спиновые флуктуации, возникающие в результате этих изменений, потенциально участвуют в формировании высокотемпературной сверхпроводимости. Ранее исследователям удавалось довольно подробно измерить флуктуации спина и заряда в оксидах меди, но не хватало ключевого доказательства: как сила взаимодействия между электронами и этими флуктуациями связана с критической температурой сверхпроводимости материала?
Чтобы ответить на этот вопрос, исследовательская группа подготовила специальный образец пленки. Исследователи использовали оксиды лантана, церия и меди в качестве базовых материалов и сформировали на подложке тонкую пленку с плавным градиентом состава путем послойного осаждения, так что материал постепенно переходит от более высокой критической температуры к потере сверхпроводимости по длине образца.
Эта конструкция позволяет исследователям сравнивать резистивное поведение в различных условиях в одном и том же образце и анализировать взаимосвязь между рассеянием электронов и критической температурой сверхпроводимости. Затем исследовательская группа объединила результаты экспериментов в сильном магнитном поле и других измерений и обнаружила, что данные подтверждают идею о том, что спиновые флуктуации участвуют в спаривании электронов, предоставив экспериментальные доказательства, которых ранее не хватало для этой теории.
Однако исследователи не утверждают, что все загадки высокотемпературной сверхпроводимости раскрыты. В исследовании участвуют сверхпроводники из оксида меди, легированные электронами, а в семействе купратов существует еще одна важная ситуация: изменение свойств материала за счет восстановления электронов и введения так называемых дырок, то есть дырочного легирования. Эксперименты показывают, что, хотя эти два типа материалов имеют схожую базовую структуру, они проявляют существенно разные сверхпроводящие свойства.
Особенно следует отметить, что наиболее высокая критическая температура обычно наблюдается на стороне легирования дырок. Исследователи могли ожидать, что, усиливая взаимодействие между электронами и спиновыми флуктуациями или увеличивая частоту связанных с ними флуктуаций, они смогут еще больше повысить критическую температуру сверхпроводимости. Однако, сравнив результаты новых исследований с предыдущими исследованиями материалов с дырочным легированием в сильном магнитном поле, команда обнаружила, что все не так просто.
Исследователи полагают, что помимо спиновых флуктуаций может существовать еще один важный фактор, который еще не полностью идентифицирован, помогающий дырочно-легированным материалам достигать более высоких критических температур сверхпроводимости. Другими словами, текущие исследования обнаруживают важную часть головоломки, но еще не составляют полную картину.
Значение этого открытия состоит в том, что оно помогает ученым еще больше сузить неизвестные рамки теории высокотемпературной сверхпроводимости. За последние несколько десятилетий исследователи накопили огромное количество данных об изменениях в электронном поведении, магнетизме и сопротивлении купратов, но изо всех сил пытались определить, что на самом деле движет сверхпроводящим спариванием. Теперь, связав поведение рассеяния электронов с критической температурой, исследователи получили более прямые экспериментальные доказательства для дальнейшей проверки различных теоретических моделей.
Исследовательская группа отметила, что следующая работа будет сосредоточена на поиске других факторов, которые приводят к различиям в температурах сверхпроводимости различных купратных материалов, и создании полной теории, которая может одновременно объяснить поведение материалов, легированных электронами и дырками. Только после того, как эти механизмы будут более полно объяснены, ученые смогут более надежно предсказать, какие материалы обещают высокотемпературную сверхпроводимость.
Причина, по которой исследования высокотемпературной сверхпроводимости получили широкое внимание, заключается в том, что если в будущем можно будет разработать сверхпроводящие материалы, работающие при температуре, близкой к комнатной, не требуя экстремального давления, потенциальное воздействие будет широко распространенным. Сверхпроводящие линии электропередачи могут снизить традиционные резистивные потери, устройства с сильным магнитным полем могут стать более эффективными, а некоторые электронные и квантовые технологии также могут принести пользу. Однако эти приложения по-прежнему зависят от свойств материала, производственных затрат, стабильности и реальных инженерных условий, и текущие исследования не означают, что эти технологии будут полностью реализованы.
В целом, это исследование не объявляет об открытии сверхпроводимости при комнатной температуре и не решает весь механизм высокотемпературной сверхпроводимости, но обеспечивает ключевое экспериментальное подтверждение теории спаривания спиновых флуктуаций в оксидах меди, легированных электронами. Это важное развитие проблемы высокотемпературной сверхпроводимости, которая десятилетиями озадачивала физическое сообщество: ученые постепенно переходят от наблюдения сложных квантовых явлений к выявлению ключевых факторов, которые фактически контролируют образование сверхпроводимости и ее критической температуры.
Комментарии