Разгадка феномена высокотемпературной сверхпроводимости, возможно, стала чуть ближе

Несмотря на четверть века исследований, причины формирования как самой ВСТО, так и сопутствующих ей явлений (вроде псевдощели) остаются не до конца прояснёнными. Но есть надежда на изменение ситуации…

Новое исследование так называемой псевдощели в высокотемпературных сверхпроводниках предсказывает возможность сосуществования в одном материале при определённых условиях двух возможных порядков расположения электронов, что и позволяет им ниже конкретной температуры не вполне стандартным образом терять электрическое сопротивление.

В сверхпроводящем состоянии в нормальных сверхпроводниках электроны путешествуют по кристаллической решётке материала в так называемых куперовских парах (единые квантовые системы из пары электронов). Чтобы пара распалась на два свободных электрона (состояние, при котором нет сверхпроводимости), нужно определённое количество энергии.

172.jpg Рис. 1. Квадрупольный порядок: каждый атом меди (серые шарики) имеет квадрупольный момент. Все вместе они формируют шахматный порядок, где отдельные «клетки» различаются ориентацией положительно и отрицательно заряженных участков (зелёные участки — положительные заряды слева и справа, серые участки — положительные заряды сверху и снизу). На границах условных «зелёных» и «серых» областей поверхности знаки меняются. (Илл. Konstantin Efetov et al).

Разница между энергией куперовской пары электронов и свободными электронами называется, как все помнят, запрещённой зоной (энергетической щелью; далее просто «щель»); это область значений энергии, которыми не может обладать электрон в данной кристаллической решётке. В купратных сверхпроводниках сходная запрещённая зона возникает при некоторых обстоятельствах и при температуре, выше критической, — и это так называемая псведощель сверхпроводимости.

Что характерно, псевдощель «воспринимается только электронами с определёнными направлениями скоростей».

Модель, разработанная группой европейских учёных под руководством Константина Борисовича Ефетова из Рурского университета в Бохуме (Германия), утверждает, что

сверхпроводник в псевдощелевом состоянии может характеризоваться двумя типами расположения электронов одновременно: они могут быть на диффузной атомной орбитали (d-орбитали), в которой электроны куперовских пар вращаются друг вокруг друга, образуя подобие четырёхлистного листа клевера, или упорядочены по квадрупольной волне плотности.

Последняя суть особая электростатическая структура, в которой каждый атом меди в двумерной кристаллической решётке имеет квадрупольный момент, то есть два противоположных региона отрицательного заряда и два противоположных региона положительного заряда. В псевдощелевом состоянии d-орбитали и квадрупольные волны плотности конкурируют друг с другом. Из-за тепловых флуктуаций, связанных с относительно высокой для сверхпроводника температурой псевдощелевого состояния, ни одна из этих систем не может «победить» и вытеснить «конкурента». Если же материал охладить, тепловые флуктуации ослабеют, и одна из систем возобладает, что будет означать наступление сверхпроводимости для электронов всех параметров.

Правда, в отличие от металлических сверхпроводников, благодаря такой конкуренции критическая температура для купратов и керамических сверхпроводников вообще наступает при значительно более высокой температуре (превышающей 100 К).

Как подчеркивают авторы, из их выводов следует, что квантовый фазовый переход, сейчас трактуемый как одномоментное явление, в реальном случае двумерной кристаллической решётки вполне может быть более сложным процессом, при котором d-орбитальный порядок расположения электронов некоторое время способен сосуществовать с квадрупольным в состоянии квантовой суперпозиции.

Понимание природы псевдощели может, полагают учёные, существенно продвинуть нас в понимании факторов, ограничивающих эффективность высокотемпературных сверхпроводников, и способствовать росту их параметров в будущем.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Nature Physics.

Пожалуйста, оцените статью:
Ваша оценка: None Средняя: 3.9 (15 votes)
Источник(и):

1. phys.org

2. compulenta.ru