С помощью численного моделирования американские физики обнаружили полосы с повышенной концентрацией электронов и упорядоченной системой спинов в купратных высокотемпературных сверхпроводниках даже при повышенной температуре. Но если при низких температурах эти области строго ограничены геометрически, то при ее повышении они начинают сильно флуктуировать, пишут авторы работы, опубликованной в Science.

Для того, чтобы материал мог перейти в сверхпроводящее состояние, при котором электрическое сопротивление становится равным нулю, его необходимо охладить ниже определенной критической температуры. Для классических сверхпроводников это температуры, близкие к температуре жидкого гелия — около нескольких кельвинов. Около 30 лет назад были обнаружены материалы, в которых сверхпроводимость появляется при значительно более высоких температурах (на данный момент рекорд температуры перехода в сверхпроводящее состояние при атмосферном давлении составляет 133 кельвинов). Сейчас материалов с такими свойствами известно довольно много, и наиболее известными среди них являются соединения на основе оксида меди — купраты. Именно им принадлежит и рекорд температуры. Но несмотря на то, что с момента открытия таких материалов прошло уже довольно много времени, универсальной теории, объясняющей сверхпроводимость при таких высоких температурах, пока не предложено.

Farrin Abbott / SLAC National Accelerator Laboratory

Группа американских физиков под руководством Эдвина Хуана (Edwin W. Huang) из Стэнфордского университета решила уточнить электронную структуру купратных высокотемпературных сверхпроводников с помощью численного моделирования. По данным многих теорий, объясняющих электронную структуру сверхпроводящих купратов, в них могут формироваться полосы из электронов — протяженные области, в которых электроны и их спины образуют упорядоченную структуру. Такие полосы были обнаружены в других материалах, например, моттовских диэлектриках, и наблюдались экспериментально в купратных сверхпроводниках при очень низких температурах. Предполагается, что полосы должны сохраняться и при повышении температуры, переходя во флуктуирующее состояние, однако экспериментально наблюдать их не удавалось.

Чтобы подтвердить существование таких полос при высоких температурах, ученые провели моделирование квантовым методом Монте-Карло одного слоя купратного сверхпроводника, состоящего из атомов кислорода и меди. Получить достаточно точные результаты ученым удалось благодаря моделированию системы достаточно объема, что было невозможно ранее из-за меньших вычислительных мощностей.

Оказалось, что полосатая структура действительно сохраняется в купратах и при высоких температурах. Полосы при этом становятся довольно малозаметными и сильно флуктуируют, поэтому их довольно сложно обнаружить в эксперименте. Но, несмотря на флуктуирующий характер, свое влияние на электронные свойства материала они продолжают оказывать и при повышении температуры.

Такое поведение оказалось характерным для всех купратных соединений, изученных в работе, с разной степенью легирования, и для некоторых из них наличие флуктуирующих полос характерно до температур вплоть до 600 градусов Цельсия.

По словам ученых, образование таких спиновых и зарядовых полос может быть одной из причин сохранения сверхпроводимости при высоких температурах. Авторы работы надеются, что их результаты станут толчком для развития экспериментальных методик и приблизят появление универсальной теории для высокотемпературной сверхпроводимости.

Купраты — не единственные материалы, которые обладают сверхпроводящими свойствами при высоких температурах. Например, рекордсменом по температуре перехода в сверхпроводящее состояние не при сверхвысоких давлениях является сероводород. Высокотемперурными сверхпроводниками являются многие интерметаллиды. Недавно сверхпроводимость при достаточно больших температурах была обнаружена и у материалов на основе арсенида кальция и железа.

Автор: Александр Дубов