Решены две загадки высокотемпературной сверхпроводимости в купратах

Сверхпроводимостью называют полное исчезновение электрического сопротивления вещества постоянному электрическому току при температуре ниже критической. Огромная практическая ценность сверхпроводников заключается в отсутствии в них потерь электрической энергии при протекании тока. Но на пути их широкого использования стоит очень низкая величина критической температуры. Для большинства веществ она близка к абсолютному нулю. До 1986 года наивысшей температурой обладал сплав Nb₃Ge, для которого сверхпроводимость наступала при температуре ниже 23 К (–250°). Поэтому возникла важная научная задача: найти вещества, переходящие в сверхпроводящее состояние при более высокой температуре, желательно близкой к комнатной, что получило название высокотемпературной сверхпроводимости.

В 1986 году были открыты высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП) на базе оксидов меди (купратов), и в течение нескольких лет критическая температура поднялась до примерно 120 К. Однако эти вещества обладают очень сложной электронной структурой, что чрезвычайно затрудняет понимание того, как в них происходит переход к сверхпроводящему состоянию, без чего невозможно разработка сверхпроводников, работающих при более высоких температурах. С тех пор уже почти 30 лет ведутся сложные эксперименты по изучению этого вопроса.

В частности, было обнаружено, что состоянию сверхпроводимости у ВТСП предшествует состояние, названное «псевдощелевой фазой». Этот термин связан с особенностью энергетического спектра электронов в веществе (так называется дискретный набор разрешенных уровней энергии электронов в атоме). Электроны с низкими значениями энергии расположены в валентной зоне, электроны с большей энергией, способные перемещаться по веществу, — в зоне проводимости. В полупроводниках и диэлектриках валентную зону и зону проводимости разделяет интервал запрещенных значений энергии,  называемый «щель». Чтобы участвовать в создании тока, электрон должен получить энергию, чтобы перескочить через щель из валентной зоны в зону проводимости. Поэтому, чем больше ширина щели, тем сильнее изолирующие свойства материала.

 

Щель образуется и у сверхпроводников, но у нее другая природа. При возникновении сверхпроводимости электроны, близкие к уровню Ферми, образуют так называемые куперовские пары и оседают на уровне  Ферми, и этот уровень начинает отделять щель от уровней одиночных электронов. Уровень Ферми определяется критической температурой. 

Оказалось, что у ВТСП при температурах выше критических существует состояние с меньшим числом носителей заряда вблизи уровня Ферми, чем в обычном проводнике. Это явление получило название «псевдощель». Это состояние непонятной природы вызвало много вопросов у физиков. Поскольку состояние псевдощели предшествует и частично существует совместно со сверхпроводимостью (конкурирует с ней), ученые полагают, что исследование этого состояния поможет раскрыть тайны ВТСП. В последние годы этому вопросу посвящено много работ,  одна из которых опубликована на днях в журнале «Science».

Физики из Брукхейвенской национальной лаборатории и Корнельского университета, используя  разработанный ими уникальный высокоточный сканирующий туннельный микроскоп, сумели проследить детали превращения купрата из диэлектрика в сверхпроводник, через стадию псевдощели. Их экспериментальная установка позволяла определять пространственное расположение и направление движения электронов в материале, благодаря чему удалось обнаружить два новых явления.

В исходном состоянии исследуемый купрат Bi₂Sr₂CaCu₂O_8+δ представляет собой изолятор. Чтобы превратить его в ВТСП, к нему в качестве источника носителей заряда (дырок) химически добавляли атомы кислорода. Такой процесс называется допирование, дополнительные атомы обозначены в формуле как «+δ». Физики систематически в течение длительного времени сканировали материал при различных уровнях допирования, чтобы проследить, как изменяется поведение и расположение электронов при эволюции материала в сверхпроводящее состояние.

При повышении количества носителей заряда (уровня допирования) материал переходил из состояния диэлектрика в псевдощелевую фазу. При низкой плотности носителей заряда  наблюдалась достаточно статичная картина. Возникало экзотическое периодическое статическое расположение некоторых электронов, получившее название «волны плотности» или «полосы». Эти волны похожи на полоски «замороженных» электронов.  Волны плотности, как и  движение электронов, ограничены определенными направлениями. При дальнейшем увеличении числа зарядов ученые обнаружили, что волны плотности исчезают, а электроны в материале обретают способность свободно двигаться в любом направлении.  Причем это происходит при том же уровне допирования, что и возникновение чистой сверхпроводимости.

«Впервые эксперимент напрямую связал исчезновение волн плотности и связанных с ними наноразмерных дефектов кристаллической решетки с появлением электронов, текущих свободно во всех направлениях, необходимых для неограниченной сверхпроводимости, – сказал ведущий автор Симус Дэвис (Séamus Davis). –  Эти новые измерения, наконец, показали нам, почему в таинственном псевдощелевом состоянии этого материала электроны перемещаются менее свободно».

Дэвис сравнивает наблюдения с полетом над замерзшей рекой, где можно увидеть статические фрагменты, образованные льдом, и в то же время обнаружить течение жидкой воды. Эти полеты совершаются снова и снова в течение весны, когда замороженный водный путь постепенно тает. В купрате вместо повышения температуры ученые повышали уровень допирования, чтобы «топить» волны плотности в определенной критической точке. 

Это открытие подтверждает давнюю идею, что именно волны плотности ограничивают поток электронов и ухудшают максимальную сверхпроводимость в псевдощелевой фазе. «Статическое расположение электронов и связанные наноразмерные флуктуации нарушают свободный поток электронов – как лед на реке ухудшает поток жидкой воды», –  говорит Дэвис. 

Разумеется, получить ВТСП не так просто, как растопить лед, но это открытие дает подсказки. Если предотвратить  образование статических полос, когда они возникают, в конечном итоге можно получить материалы, которые будут выступать в качестве сверхпроводника при более низкой плотности допирования и значительно более высокой температуре, считает Дэвис.

По материалам: Sciencedaily, Brookhaven National Laboratory