Удивительный электронный беспорядок. Купраты, класс медно-оксидной керамики, которые имеют общий строительный блок из атомов меди и кислорода в плоской квадратной решетке, были изучены на предмет их способности сверхпроводить при относительно высоких температурах. В своем первозданном состоянии, однако, они представляют собой особый вид изолятора (материал, который плохо проводит электричество), известный как изолятор Мотта.

Эксперименты на сверхтонких керамических сверхпроводниках на основе оксида меди, выполненные исследователями из Массачусетского технологического института, показали неожиданное неупорядоченное или «стеклообразное» расположение электронов, известное как «вигнеровское стекло». Слева «пространство Фурье» или импульсное пространство, показывает дифракционные данные, которые доказали тенденцию ряби заряда выравниваться в любом направлении, в то время как изображение справа отображает случайное размещение электронов в «реальном пространстве». Фото: Мин Гу Кан

Когда носители электрического заряда – либо электроны, либо их отсутствие, известные как «дыры» – добавляются в изолятор в процессе, называемом легированием, изолятор может стать металлом, который легко проводит электричество, или полупроводником, который может проводить электричество. в зависимости от окружающей среды. Купраты, однако, не ведут себя ни как обычный изолятор, ни как обычный металл из-за сильных взаимодействий между их электронами. Чтобы избежать больших энергетических затрат, возникающих в результате этих взаимодействий, электроны самопроизвольно организуются в коллективное состояние, в котором движение каждой частицы связано со всеми остальными.

Одним примером является сверхпроводящее состояние, когда электроны движутся в унисон и дрейфуют с нулевым чистым трением при приложении потенциала, состояние с нулевым сопротивлением, которое является определяющей характеристикой сверхпроводника. Другое коллективное электронное состояние – это «волна плотности заряда», термин, придуманный из волнообразной модуляции плотности электронов, в которой электроны «замирают» в периодические и статические структуры, одновременно препятствуя потоку электронов. Это состояние противоречит сверхпроводящему состоянию и, следовательно, важно изучать и понимать. В купратах волны зарядовой плотности предпочитают выравниваться по атомным рядам атомов меди и кислорода, которые составляют лежащую в основе кристаллическую структуру, причем «гребни» волны происходят каждые три-пять элементарных ячеек, в зависимости от материала и уровня легирования.

Используя метод, известный как резонансное рассеяние рентгеновских лучей, для изучения этих волн зарядовой плотности в двух различных купратных соединениях, оксиде неодима и меди (Nd2CuO4 или NCO) и оксиде празеодима, меди (Pr2CuO4 или PCO), допированном дополнительными электронами, исследователи из MIT сделали неожиданное открытие. Их работа выявила фазу материала, где электроны попадают в неупорядоченное или «стеклообразное» расположение, получившее название «стекло Вигнера». Результаты были недавно опубликованы в статье в журнале «Физика природы» .

Резонансное рентгеновское рассеяние является недавно разработанным методом дифракции, в котором кристаллография выполняется на электронах, а не исключительно на атомах, как при обычной дифракции рентгеновских лучей. «В пределе низкой концентрации легированных электронов мы наблюдали совершенно новую и неожиданную форму электронной фазы, которая не является ни сверхтекучей, ни кристаллом, а скорее обладает характеристиками вигнеровского стекла. На этом этапе электроны образуют коллективное состояние без каких-либо ориентационных предпочтений», – говорит старший автор статьи Риккардо Комин, доцент кафедры физики в Массачусетском технологическом институте. Такое аморфное стекло электронов совершенно беспрецедентно в этом семействе материалов, добавляет он.

Это явление возникает только в узком окне электронного легирования. «Интересно, что это экзотическое новое состояние существует только в небольшой области электронной фазовой диаграммы этого материала, и когда в плоскостях [оксида меди] легируется больше электронов, восстанавливается более традиционный электронный кристалл, рябь которого выравнивается по кристаллографическому оси основной атомной решетки», – объясняет Мин Гу Кан, ведущий автор статьи.

Команда MIT, состоящая из Комина, аспиранта Канга и постдока Джонатана Пелличиари, разработала проект и провела большинство экспериментов. Их исследование стало возможным благодаря вкладу исследователей из различных учреждений и учреждений по всему миру. Измерения резонансного рассеяния рентгеновских лучей проводились на нескольких синхротронных установках, включая Берлинское электронное хранилище электронов, канадский источник света в Саскатуне, Саскачеван, Канада и усовершенствованный источник света в Беркли, Калифорния. Образцы тонких пленок из оксида меди выращивали в лабораториях фундаментальных исследований NTT в Японии. Теоретический анализ был разработан исследователями из Индийского института науки в Индии.

Комин отмечает, что предложенная теория объясняет роль электронной зонной структуры в регулировании периодического расстояния и отсутствие ориентационного предпочтения волн плотности в зависимости от уровня легирования в этом материале. «Наша теория предполагает, что эти электронные пульсации изначально имеют неправильную форму и, вероятно, зародились вокруг дефектов или примесей в материале», – говорит Комин. «Когда плотность носителей возрастает, электронам удается найти более высокоупорядоченное расположение, которое минимизирует общую энергию системы, тем самым восстанавливая более обычные волны плотности заряда, которые наблюдались повсеместно во всех семействах оксидно-медных сверхпроводников».

«Я был просто поражен результатами Риккардо по NCO и PCO», – говорит Питер Аббамонте, профессор инженерных наук из семейства Fox в Иллинойском университете в Урбана-Шампейн, который разработал метод резонансного рассеяния мягкого рентгеновского излучения. Отмечая, что порядок волны зарядовой плотности (ВЗП) в купратах находится в центре поля уже более десяти лет, Аббамонте, который не принимал участия в этом исследовании, объясняет, что предыдущее понимание заключалось в том, что порядок ВЗП прикреплен к кристаллическая решетка, то есть волна плотности заряда должна указывать в одном из двух перпендикулярных направлений, но нигде между ними. Это традиционное мнение основано на двух десятилетиях экспериментов по резонансному рассеянию и сканирующей туннельной микроскопии, которые всегда находили, что это так, отмечает он.

Исследования Комина на этих конкретных электронно-допированных купратах показали, что во время стеклообразной фазы порядок заряда может указывать в любом направлении, независимо от кристаллической решетки, в которой он живет. «Более точное утверждение заключается в том, что параметр порядка ВЗП не является изинговоподобным ( то есть, принимая только дискретные значения, в данном случае два: x или y), как всегда предполагалось, но больше похоже на параметр порядка XY (то есть, можно свободно выбирать любое значение в непрерывном диапазоне, например, во всех направлениях). между x и y, как в данном случае), на который кристалл оказывает слабое влияние», – говорит Аббамонте.

«Сообществу потребуется некоторое время, чтобы полностью переварить эту реализацию и ее последствия для понимания актуальности порядка ВЗП», – добавляет Аббамонте. «Что ясно, так это то, что статья Риккардо приведет к серьезному пересмотру правил игры, и в этом смысле это серьезный шаг вперед».

Сверхпроводники обладают огромным, в значительной степени неиспользованным потенциалом для преобразующих приложений, таких как квантовые вычисления, перенос энергии без потерь, магнитное зондирование и медицинская диагностическая визуализация, а также плазменные и ядерные технологии синтеза энергии.

«В целом, наше исследование выявило еще одно проявление утонченного квантового характера носителей заряда в высокотемпературных сверхпроводниках, что в конечном итоге связано с природой электронных взаимодействий», – говорит Комин. «Детальное поведение электронов, раскрытое в этой работе, дает новое понимание того, как высокотемпературная сверхпроводимость рождается из изолятора Мотта, и обещает преодолеть разрыв между областями фазовой диаграммы с очень контрастирующими феноменологиями».

По материалам phys.org