Высокотемпературные сверхпроводники наконец-то обрели полную фазовую диаграмму

Наука в очередной раз обратилась к высокотемпературным сверхпроводникам (ВТСП) купратного типа, которые демонстрируют идеальную проводимость без сопротивления при температурах ниже –140 ˚C. В статье, опубликованной в журнале Proceedings of the National Academy of Science, сотрудники Национальной ускорительной лаборатории Стэнфордского университета SLAC (США) описали неожиданно сложный и динамический способ самоорганизации электронов в купратных сверхпроводниках. Исследование позволило построить полную фазовую диаграмму материала для различных составов и температур, которые считаются идеальными для сверхпроводимости.

Ранние эксперименты показали, что внутри купратного ВТСП может существовать несверхпроводящее поведение, так называемая псевдощелевая фаза. В рассматриваемой работе было обнаружено, что

на самом деле псевдощелевая фаза замечательно сосуществует со сверхпроводящей в широком интервале температур и составов. Сначала учёные полагали, что она не зависит от сверхпроводимости, но при более детальном рассмотрении выяснилось, что это совсем не так: при понижении температуры сверхпроводящее состояние подавляет псевдощелевую фазу*.

Рис. 1. Учёные SLAC, занятые в исследовании (слева направо): Макото Хашимото, Инна Вишик и Чжи-Сюнь Шэнь (фото Brad Plummer / SLAC).

Любая информация о конкуренции между псевдощелевой и сверхпроводящей фазами должна помочь в достижении цели, которая до сих пор казалась недосягаемой, — в создании новых сверхпроводящих материалов, работающих при комнатных температурах и выше. Это по-настоящему революционизировало бы множество современных технологий — от мельчайших компьютерных чипов до бесконечно длинных линий электропередачи.

(В очередной раз, впрочем, хотелось бы напомнить некоторым витающим в облаках учёным о таком простом понятии, как предельный ток. Именно этот параметр (а вовсе не температура) определяет непригодность ВТСП как материала. Ток генерирует магнитное поле, которое начинает постепенно проникать внутрь ВТСП, разрушая сверхпроводящее состояние. Так вот, значение предельного тока для ВТСП настолько мало, что не то что о ЛЭП мечтать не приходится, но и вопрос о создании чипов на их основе остаётся открытым, если это вообще кому-нибудь нужно).

Кроме того, впервые за 25 лет (ровно столько прошло со дня открытия первого купратного ВТСП) учёным удалось построить полную фазовую диаграмму купратов. Это фундамент для понимания вещества, описания природы фаз и сложных взаимоотношений между ними. Одно это должно вселить надежду в специалиста, который все ещё сохраняет верность теме ВТСП.

Сложная электронная структура купратных сверхпроводников сильно затрудняет понимание того, как на самом деле эти материалы теряют своё электрическое сопротивление, не говоря уже о том, как эффективнее их модифицировать для достижения околокомнатных температур перехода в сверхпроводящее состояние. В последние годы специалисты SLAC занимались созданием метода фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением (ARPES), который позволяет рассмотреть электронные взаимодействия в гораздо более детализированном варианте, чем когда-либо.

Именно эта технология использовалась для изучения свойств псевдощелевой фазы в нынешнем исследовании.

Работы продолжаются…