Ученые из США нашли объяснение высокотемпературной сверхпроводимости в тонких пленках купратов. Это может привести как к пересмотру общепринятой теории сверхпроводимости, так и к разработке новых материалов, сообщает пресс-релиз Брукхейвенской национальной лаборатории. Результаты исследования опубликованы в Nature.
С тех пор как в 1986 году открыли сверхпроводимость оксидов меди, или купратов, которая наступает при температуре в сотни градусов выше, чем обычно, ученые ломают голову, как так может быть. (См., напр., нашу статью «Физики напрямую измерили щели "невозможных" сверхпроводников».) Одно из объяснений дали физики из отдела энергетики Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США. Они вырастили тысячи пленок купратов, известных как LSCO (эти соединения состоят из четырех элементов — лантана, стронция, меди и кислорода). И определили, что критическая температура сверхпроводимости контролируется плотностью электронных пар, то есть числом электронных пар на единицу площади.
«Загадка высокотемпературной сверхпроводимости волновала физику конденсированного вещества более 30 лет, — сказал Иван Божович (Ivan Bozovic), руководитель исследований и ведущий сотрудник лаборатории физики конденсированного вещества. — Наши эксперименты дают основу для объяснения происхождения высокотемпературной проводимости в купратах, а это требует совершенно новой теории».
Ученые вырастили более 2500 LSCO-образцов, используя собственный метод молекулярно-пучковой эпитаксии. Это позволяет укладывать атом за атомом на субстрат — и так слой за слоем, пока не получится тонкая пленка.
Ученые добавили в LSCO-пленки атомы стронция, чьи мобильные электроны спариваются со слоем оксида меди, в котором появляется сверхпроводимость. Только в данном случае стронция добавили выше того уровня, при котором появляется сверхпроводимость.
Из прошлых работ было известно, что передозировка примеси вызывает уменьшение плотности электронных пар. Этому явлению дали несколько объяснений. Чтобы проверить их, группа Божовича измерила магнитные и электронные свойства созданных ими LSCO-пленок. Чтобы определить глубину магнитной проницаемости, которая указывает на плотность электронных пар, ученые использовали метод взаимной индуктивности.
В результате была установлена точная линейная зависимость между критической температурой и плотностью электронных пар: оба параметра продолжили снижаться по мере добавления примеси до тех пор, пока ни один электрон не спаривался, и критическая температура не падала почти до нуля Кельвинов. Результат оказался неожиданным, ведь при передозировке стронцием купрат становится более металлическим.
«Беспорядок, разделение фаз или разбивание электронной пары имели бы обратный эффект при рассеивании, которое препятствует потоку электронов, делая материал более резистивным, т.е. менее металлическим», — объяснил Божович.
Если объяснение ученых верно, то есть критическая температура контролируется плотностью электронных пар, тогда значит маленькие, локальные пары электронов стоят за высокой температурой, при которой купраты превращаются в сверхпроводники.
