Ещё не рецепт,
но уже надежда
на сверхпроводимость
при комнатной температуре.
Сверхпроводящие материалы — это особые вещества, которые способны проводить электрический ток без какого-либо сопротивления, что делает их бесценными для энергоэффективных технологий. Однако классические сверхпроводники работают только при очень низких температурах. Это ограничивает их практическое применение, потому учёные уже давно стремятся добиться сверхпроводимости при гораздо более высоких температурах. В идеале было бы при комнатной — это кардинально изменило бы электронику, энергетику и другие области техники.
Недавнее исследование международной команды учёных из Японии, Тайваня и США приблизило нас к этой цели, открыв так называемый узловой или нодальный металл — уникальное электронное состояние в сложной структуре оксидов меди. Трёхслойные купратные (от cuprum — медь) сверхпроводники состоят из трёх плоскостей — двух внешних и одной внутренней, образованных атомами меди (Cu) и кислорода (O). Эта многослойная структура позволяет по-разному вести себя слоям, что влияет на их электрические свойства и температуры перехода в сверхпроводящее состояние. Однако это была теория и почему именно трёхслойные купраты демонстрируют максимальную температуру перехода, превышающую показатели других аналогичных материалов, оставалось загадкой, разрешение которой стало большим шагом в понимании сверхпроводимости.
Для изучения электронных свойств этих материалов исследователи применили метод, называемый углоразрешённой фотоэмиссионной спектроскопией с высоким разрешением на базе синхротронного излучения. Синхротрон — это ускоритель частиц, создающий мощные пучки фотонов, которые «выбивают» электроны из материала. Измеряя, как именно вырванные электроны движутся и с какой энергией, учёные могут создавать карту электронной структуры материала, выявляя зоны с разной энергией и импульсом электронов.
В результате эксперимента удалось впервые наблюдать узловой металл — электронное состояние с необычными свойствами, характеризующееся высокой сверхпроводимостью при температурах выше обычных переходов. Сам термин «узел» в металле означает точку или — иногда — линию в электронном энергетическом пространстве, где амплитуда определённых квантовых состояний электронов обращается в ноль. В сверхпроводниках эти узлы связаны с особенностями сверхпроводящего энергетического зазора, который влияет на перенос электронов и их взаимодействия. Так и получается, что, несмотря на крайне низкую концентрацию дырок (свободных носителей заряда) во внутреннем слое оксида меди, сверхпроводящие узлы смогли существовать и сохранять устойчивость.
Это уникальное состояние объясняется эффектом близости, благодаря которой взаимодействие между двумя внешними и одним внутренним слоями меди и кислорода стабилизирует сверхпроводимость и значительно увеличивает энергетическую область с подавленной плотностью квантовых состояний — особый барьер, препятствующий разрушению сверхпроводящего состояния. Такой широкий энергетический зазор свидетельствует о прочности сверхпроводимости в этих системах.
«Сверхпроводимость возникает, когда носители заряда — дырки или электроны — внедряются в двумерную плоскость из оксида меди», — рассказывает соавтор работы, опубликованной в Nature Communications, доцент Син-Итиро Идэта из Университета Хиросимы. — Как ни странно, мы обнаружили, что сверхпроводящие электроны существуют при температурах, значительно превышающих температуру перехода во внутренние слои оксида меди с очень низкой концентрацией дырок. Кроме того, сверхпроводящая энергетическая щель, свидетельствующая о сверхпроводимости в системе, значительно больше, чем в обычных сверхпроводниках».
Он подчёркивает, что открытие может стать важным ориентиром для разработки материалов с ещё более высокими температурами перехода в сверхпроводящее состояние. Если удастся создать стабильные сверхпроводники на основе купратов, которые работают при или около комнатной температуры, это откроет новые горизонты в технологиях передачи и хранения энергии, улучшении производительности электроники и создании мощных магнетов без затрат на охлаждение.
Таким образом, наблюдение нодального металла в трёхслойных купратных сверхпроводниках — это не только значительный научный прорыв в понимании сложных механизмов сверхпроводимости, но и шаг вперёд на пути к практическим приложениям, которые могут полностью изменить современную технологическую инфраструктуру.
АРМК, по материалам Университета Хиросимы.