В сверхпроводящих материалах электроны соединяются и конденсируются в квантовое состояние, несущее электрический ток без потерь. Обычно это происходит при очень низких температурах. Ученые приложили все усилия для разработки новых типов сверхпроводников, которые работают при температуре около комнатной температуры, что сэкономит огромное количество энергии и откроет новый маршрут для проектирования квантовой электроники. Чтобы добраться туда, им нужно выяснить, что вызывает эту высокотемпературную форму сверхпроводимости и как это происходит по требованию.

В новом исследовании показано, как скоординированные движения атомов меди (красный) и кислорода (серых) в высокотемпературном сверхпроводнике повышают сверхпроводящую силу пар электронов (белое свечение), позволяя материалу проводить электричество без потерь при гораздо более высоких температурах , Открытие открывает новый путь к инженерным высокотемпературным сверхпроводникам. Фото: Грег Стюарт / Национальная лаборатория ускорителей SLAC

Теперь, в независимых исследованиях, опубликованных в Science and Nature , ученые из Национальной лаборатории ускорителей SLAC и Стэнфордского университета сообщили о двух важных достижениях: впервые они измерили коллективные колебания электронов и показали, как коллективные взаимодействия электронов с другими факторами видимому, повышают сверхпроводимость.

В экспериментах, выполненных с использованием различных материалов на основе меди и с использованием самых современных технологий, были разработаны новые подходы к исследованию того, как работают нетрадиционные сверхпроводники.  

«В принципе, мы пытаемся понять, что делает хороший сверхпроводник» – сказал соавтор Томас Деверо, профессор SLAC и Стэнфорд, и директор SIMES, Стэнфордского института материалов и энергетических наук, следователи которого исследования.

«Каковы ингредиенты, которые могут вызвать сверхпроводимость при температурах, значительно превышающих сегодняшние?» он сказал. «Эти и другие недавние исследования показывают, что атомная решетка играет важную роль, давая надежду на то, что мы набираем силу для ответа на этот вопрос».

Высокотемпературная головоломка

Обычные сверхпроводники были открыты в 1911 году, и ученые знают, как они работают: свободно плавающие электроны притягиваются к решетке атомов атомов, которая имеет положительный заряд, что позволяет им спариваться и течь как электрический ток со 100-процентной эффективностью , Сегодня сверхпроводящая технология используется в машинах МРТ, поездах маглева и ускорителях частиц.

Но эти сверхпроводники работают только при охлаждении до таких низких температур, как в космосе. Поэтому, когда ученые обнаружили в 1986 году, что семейство материалов на основе меди, известных как купраты, могут сверхпроводничать при гораздо более высоких, хотя и довольно холодных температурах, они были в восторге.

С тех пор рабочая температура купратов медленно растет – текущая запись составляет около 120 градусов по Цельсию ниже точки замерзания воды, поскольку ученые изучают ряд факторов, которые могут либо повысить, либо повлиять на их сверхпроводимость. Но до сих пор нет единого мнения о том, как функционирует купрат.

«Ключевым вопросом является то, как мы можем сделать все эти электроны, которые очень ведут себя как люди и не хотят сотрудничать с другими, конденсируются в коллективное государство, в котором участвуют все стороны и порождают это замечательное коллективное поведение». сказал Чжи-Сюнь Шен, профессор SLAC / Stanford и исследователь SIMES, которые участвовали в обоих исследованиях.

За кулисами

Одно из новых исследований в Стэнфордском синхротронном излучающем источнике солнечной энергии (SSRL) в SLAC систематически рассматривало, как «допинг» – добавление химического вещества, который изменяет плотность электронов в материале – влияет на сверхпроводимость и другие свойства купрата Bi2212.

Сотрудничающие исследователи из Национального института передовых промышленных наук и технологий (АИСТ) в Японии подготовили образцы материала с немного отличающимися уровнями легирования. Затем группа, возглавляемая исследователем SIMES Юй Хэем и учёным SSRL Макото Хашимото, исследовала образцы в SSRL с помощью фотоэмиссионной спектроскопии с угловым разрешением или ARPES. Он использует мощный луч рентгеновского излучения для извлечения отдельных электронов из материала образца, поэтому их импульс и энергия могут быть измерены. Это показывает, что делают электроны в материале.

энергия отталкивания (желтые вспышки), генерируемые электронами в одном слое купратного материала

На иллюстрации изображена энергия отталкивания (желтые вспышки), генерируемые электронами в одном слое купратного материала, отталкивающего электроны в следующем слое. Теоретики считают, что эта энергия может сыграть решающую роль в создании сверхпроводящего состояния, что приводит к образованию электронов, образующих особую форму «звуковой волны», которая может повысить сверхпроводящие температуры. Ученые сейчас наблюдают и измеряют эти звуковые волны в первый раз. Фото: Грег Стюарт / Национальная лаборатория ускорителей SLAC

В этом случае, по мере увеличения уровня легирования, максимальная температура сверхпроводящего материала достигла максимума и снова упала, сказал он.

Команда сосредоточилась на образцах с особенно прочными сверхпроводящими свойствами. Они обнаружили, что три взаимосвязанных эффекта – взаимодействия электронов друг с другом, с колебаниями решетки и с самой сверхпроводимостью – усиливают друг друга в цепи положительной обратной связи, когда условия правильные, повышают сверхпроводимость и повышают температуру сверхпроводящего материала.

Небольшие изменения в легировании вызвали большие изменения в сверхпроводимости и в взаимодействии электронов с колебаниями решетки, сказал Деверо. Следующий шаг – выяснить, почему этот конкретный уровень допинга так важен.

«Одна из популярных теорий заключалась в том, что вместо атомной решетки, являющейся источником спаривания электронов, как и в обычных сверхпроводниках, электроны в высокотемпературных сверхпроводниках сами по себе образуют какой-то заговор. Это называется электронной корреляцией» – сказал он. «Например, если бы у вас была комната с электронами, они бы распространились, но если некоторые из них потребуют более индивидуального пространства, другие должны будут сжать ближе, чтобы разместить их».

В этом исследовании Он сказал: «Мы находим, что решетка имеет за кадром роль в конце концов, и мы, возможно, не обратили внимания на важный компонент высокотемпературной сверхпроводимости за последние три десятилетия», – заключил он, в результаты предыдущих исследований группы SIMES.

Электронные звуковые волны

В другом исследовании, проведенном на Европейской системе синхротронного излучения (ESRF) во Франции, использовался метод, называемый резонансным неупругим рассеянием рентгеновских лучей, или RIXS, для наблюдения коллективного поведения электронов в слоистых купратах, известных как LCCO и NCCO.

RIXS возбуждает электроны глубоко внутри атомов с помощью рентгеновских лучей, а затем измеряет свет, который они выделяют, когда они оседают в свои первоначальные пятна.

В прошлом в большинстве исследований основное внимание было сосредоточено только на поведении электронов в одном слое купратного материала, где известно, что электроны намного более подвижны, чем между слоями, сказал ученый УИ-Шэн Ли, сотрудник службы SIMES. Он возглавил исследование с Маттиасом Гептином, который сейчас находится в Институте твердотельных исследований им. Макса Планка в Германии.

Но в этом случае команда хотела проверить идею, высказанную теоретиками, – что энергия, генерируемая электронами в одном слое, отталкивающая электроны в следующем, играет решающую роль в формировании сверхпроводящего состояния.

При возбуждении светом эта энергия отталкивания приводит к тому, что электроны образуют особую звуковую волну, известную как акустический плазмон, которые, по прогнозам теоретиков, могут составлять до 20 процентов увеличения температуры сверхпроводника, наблюдаемой в купратах.

С новейшей технологией RIXS команда SIMES смогла наблюдать и измерять эти акустические плазмоны.

«Здесь мы впервые видим, как акустические плазмоны распространяются по всей решетке», – сказал Ли. «Хотя это не решает вопрос о том, откуда исходит энергия, необходимая для формирования сверхпроводящего состояния, это говорит о том, что сама слоистая структура влияет на то, как электроны ведут себя очень глубоко».

Это наблюдение создает предпосылки для будущих исследований, которые манипулируют звуковыми волнами со светом, например, таким образом, который усиливает сверхпроводимость, сказал Ли. Результаты также актуальны для разработки будущей плазмонической технологии, сказал он, с рядом приложений от датчиков к фотонным и электронным устройствам для связи.

По материалам phys.org