Продолжение поисков сверхпроводимости. Ученые, определяющие квантовые характеристики сверхпроводников — материалов, проводящих электричество без потери энергии, — вступили в новый режим. Используя недавно подключенные инструменты под названием OASIS в Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США, они обнаружили ранее недоступные детали «фазовой диаграммы» одного из наиболее часто изучаемых «высокотемпературных» сверхпроводников. Недавно отображенные данные включают в себя сигналы о том, что происходит, когда сверхпроводимость исчезает.

Поверхность Ферми, или высшее занятое состояние в электронной структуре, позволяет непосредственно определять уровень легирования. На этом снимке показана поверхность Ферми сверхдопированного несверхпроводящего BSCCO, где отверстия были добавлены в материал под воздействием озона. Фото: Брукхейвенская национальная лаборатория

«С точки зрения сверхпроводимости это может звучать плохо, но если вы изучаете какое-то явление, всегда хорошо иметь возможность приблизиться к нему с момента его возникновения», — говорит физик из Брукхейвена Тоника Валла, которая возглавляла исследование, только что опубликованное в журнале Nature Communications. «Если у вас есть шанс увидеть, как исчезает сверхпроводимость, это, в свою очередь, может дать представление о том, что в первую очередь вызывает сверхпроводимость».

Раскрытие секретов сверхпроводимости дает большие перспективы в решении энергетических проблем. Материалы, способные переносить ток на большие расстояния без потерь, произвели бы революцию в передаче энергии, избавили бы от необходимости охлаждения компьютерных центров обработки данных и, например, привели бы к новым формам накопления энергии. Проблема в том, что в настоящее время большинство известных сверхпроводников, даже «высокотемпературных» разновидностей, сами должны быть очень холодными, чтобы выполнять свою магию с током. Таким образом, ученые пытаются понять ключевые характеристики, которые вызывают сверхпроводимость в этих материалах, с целью открытия или создания новых материалов, которые могут работать при температурах, более практичных для этих повседневных применений.

Команда из Брукхейвена изучала известный высокотемпературный сверхпроводник, состоящий из слоев, включающих оксид висмута, оксид стронция, кальций и оксид меди (сокращенно BSCCO). Расщепление кристаллов этого материала создает нетронутые поверхности из оксида висмута. Когда они проанализировали электронную структуру нетронутой поверхности, они обнаружили явные признаки сверхпроводимости при температуре перехода (Tc) 94 Кельвинов (-179 градусов по Цельсию) — самой высокой температуре, при которой сверхпроводимость устанавливается для этого хорошо изученного материала.

Затем команда разогревала образцы в озоне (O3) и обнаружила, что они могут достигать высоких уровней легирования и исследовать ранее неисследованные части фазовой диаграммы этого материала, которая представляет собой картоподобный график, показывающий, как материал меняет свои свойства при различных температурах в различных условиях (аналогично тому, как вы можете отобразить координаты температуры и давления, при которых жидкая вода замерзает при охлаждении или превращается в пар при нагревании). В этом случае переменная, которая интересовала ученых, заключалась в том, сколько вакансий заряда, или «дырок», было добавлено или «легировано» в материал под воздействием озона. Отверстия облегчают протекание тока, давая зарядам (электронам) куда-то идти.

«Для этого материала, если вы начнете с кристалла« исходного »соединения, который является изолятором (что означает отсутствие проводимости), введение дырок приводит к сверхпроводимости», — говорит Валла. По мере того как добавляется больше отверстий, сверхпроводимость становится сильнее и при более высоких температурах до максимума в 94 Кельвина, пояснил он. «Затем, с большим количеством отверстий, материал становится« чрезмерно легированным», и Tc понижается — для этого материала до 50 К.

На этой фазовой диаграмме для BSCCO показана температура

На этой фазовой диаграмме для BSCCO показана температура (T, в градусах Кельвина, на оси Y), при которой сверхпроводимость проявляется в том, что все больше и больше вакансий или «дырок» добавляются в материал (горизонтальная ось X). На недопированной стороне «купола» (слева) по мере добавления большего количества отверстий температура перехода увеличивается до максимума 94 К, но по мере добавления большего числа отверстий температура перехода падает. Красная пунктирная линия представляет ранее предполагаемую зависимость сверхпроводимости «купол», а черная линия представляет правильную зависимость, полученную из новых данных (черные точки). Это был первый раз, когда ученые смогли создать образцы с высокой степенью допирования, что позволило им исследовать часть фазовой диаграммы, заштрихованную желтым цветом, где сверхпроводимость исчезает. Отслеживание исчезновения может помочь им понять, что вызывает сверхпроводимость в первую очередь. Фото: Брукхейвенская национальная лаборатория

«До этого исследования не было известно ничего, кроме того, что мы не могли получить кристаллы, легированные выше этого уровня. Но наши новые данные приводят нас к точке допинга за пределами предыдущего предела, к точке, где Tc не поддается измерению».

Валла сказал: «Это означает, что теперь мы можем исследовать всю куполообразную кривую сверхпроводимости в этом материале, что никто раньше не мог сделать».

Команда создала образцы, нагретые в вакууме (для получения недопированного материала) и в озоне (для получения передопированного образца), и нанесли точки вдоль всего сверхпроводящего купола. Они обнаружили некоторые интересные характеристики в ранее не исследованной «дальней стороне» фазовой диаграммы.

«Мы увидели, что все стало намного проще», — сказала Валла. Некоторые из более причудливых характеристик, которые существуют на хорошо изученной стороне карты и усложняют понимание учеными высокотемпературной сверхпроводимости — такие вещи, как «псевдощель» в электронной подписи, и изменения в спине частиц и плотности заряда — исчезают на Передозировка дальнего края купола.

Физики из Брукхейвенской лаборатории Тоника Валла и Илья Дроздов

Физики из Брукхейвенской лаборатории Тоника Валла и Илья Дроздов в лаборатории ОАЗИСа в Брукхейвенской национальной лаборатории. Фото: Брукхейвенская национальная лаборатория

«Эта сторона фазовой диаграммы в некоторой степени напоминает то, что мы ожидаем увидеть в более обычной сверхпроводимости», — сказала Валла, имея в виду самые старые из известных сверхпроводников на основе металлов.

«Когда сверхпроводимость свободна от других вещей, которые усложняют картину, тогда остается сверхпроводимость, которая, возможно, не такая уж нетрадиционная», — добавил он. «Мы все еще можем не знать его происхождение, но на этой стороне фазовой диаграммы это выглядит как нечто, с чем теория может справиться легче, и это дает вам более простой способ взглянуть на проблему, чтобы попытаться понять, что происходит».

По материалам phys.org