Исследователи во главе со старшим научным сотрудником Уральского федерального университета (УрФУ, Екатеринбург) Евгением Степановым доказали, что в купратах — высокотемпературных сверхпроводящих соединениях на основе меди — при добавлении примесей с меньшей концентрацией электронов в системе стабилизируется антиферромагнитное состояние. Ученые опубликовали результаты в журнале Nature.
«Мы исследуем коллективные электронные эффекты в различных материалах, особенно в тех, которые характеризуются достаточно сильным электрон-электронным взаимодействием, — рассказывает Степанов. — Мы исследовали, как меняются свойства купратов при добавлении в систему примесей для уменьшения концентрации электронов в материале. Обычно такой процесс называем дырочным допингом, а отсутствие электрона — „дыркой“».
Нормальное состояние купратов получило название «странного металла», в частности потому, что электроны плохо проводят электричество*. Купраты обнаружены в 1986 году Георгом Беднором и Алексом Мюллером и считаются «королями» сверхпроводников.
Известно, что купраты являются антиферромагнетиками в нормальном состоянии. При допировании — добавление примесей — изменение магнитных свойств различных купратов может происходить по двум сценариям: либо антиферромагнетизм разрушается и переходит в скошенное антиферромагнитное состояние, либо дырки начинают формировать собственное магнитное состояние, которое характеризуется определенным волновым числом.
«В соединении, которое рассматривалось в работе, мы обнаружили, что реализуется второй вариант — антиферромагнетизм стабилизируется за счет сильных электронных взаимодействий. Дырки формируют свое магнитное состояние, которое, увеличиваясь с допингом, оставляет антиферромагнитное состояние неизменным, — поясняет ученый УрФУ. — И что важно — данный процесс происходит в широком диапазоне электронных концентраций, это позволяет антиферромагнитному состоянию находиться в резонансе на определенной энергии. До сих пор доподлинно неизвестно, какой именно физический механизм приводит к появлению сверхпроводимости в этих материалах. Поскольку не только мы работаем над исследованием этих материалов, существует теория, что именно данное резонансное антиферромагнитное ответственно за сверхпроводящее состояние в купратах».
Сверхпроводимость — свойство материалов обладать строго нулевым электрическим сопротивлением. В таком состоянии электроны могут свободно перемещаться в данном материале, перенося электрический заряд.
Обычно сверхпроводящее состояние реализуется при достаточно низкой температуре в несколько десятков градусов по шкале Кельвина и/или при высоком давлении. Так, при комнатной температуре сверхпроводящее состояние пока получить не удается.
С экспериментальной точки зрения купраты уже достаточно хорошо изучены. Теоретически понять, что происходит в данных материалах под действием дырочного допинга и почему у них проявляются именно такие свойства, достаточно сложно.
«Всему виной очень сильное электрон-электронное взаимодействие, которое не позволяет использовать стандартные теоретические методы для описания электронных свойств в таких материалах, — добавляет Степанов. — Наша задача — используя разработанные нами более продвинутые методы, попытаться теоретически объяснить наличие резонансного антиферромагнитного состояния и посмотреть, что происходит с данным состоянием при допинге».
Таким образом, полученные авторами статьи результаты позволяют понять, за счет какого физического механизма стабилизируется резонансное антиферромагнитное состояние, которое, возможно, ответственно за наличие высокотемпературной сверхпроводимости в купратах.
УрФУ — участник Проекта 5-100, ключевым результатом которого должно стать появление в России к 2020-му году современных университетов-лидеров с эффективной структурой управления и международной академической репутацией, способных задавать тенденции развития мирового высшего образования.
* — «Странные металлы» купраты переносят заряд уникальным образом
