Сверхпроводимость давно считается одним из самых перспективных направлений современной физики твердого тела. Материалы, способные передавать электрический ток без потери энергии, открывают колоссальные возможности для энергетики, транспорта и электроники. Однако ключевая проблема остается прежней: большинство сверхпроводников проявляют свои уникальные свойства лишь при экстремально низких температурах, достижение которых требует сложного и дорогостоящего охлаждения. Именно поэтому в настоящее время так актуален поиск механизмов, позволяющих приблизиться к сверхпроводимости при более высоких температурах.
Недавняя работа международной группы исследователей из Японии, Тайваня и США пролила свет на неожиданное электронное состояние в купратных (cuprum-медь) соединениях. Речь идет о так называемом узловом, или нодальном, металле, обнаруженном в трёхслойных оксидах меди. Эти материалы состоят из 3 атомных плоскостей, образованным медью и кислородом: двух внешних и одной внутренней. Благодаря такой архитектуре каждый слой может демонстрировать собственные электронные свойства, влияя на общую картину сверхпроводимости.
Долгое время оставалось неясным, почему именно трёхслойные купраты демонстрируют рекордно высокие температуры перехода в сверхпроводящее состояние по сравнению с одно- и двухслойными аналогами. Экспериментальные данные были отрывочными, а теория не давала исчерпывающего ответа. Новое же исследование показало, что несмотря на крайне низкое содержание носителей заряда, внутренний слой способен поддерживать устойчивые сверхпроводящие состояния.
Для изучения этого эффекта ученые использовали углоразрешённую фотоэмиссионную спектроскопию с высоким пространственным и энергетическим разрешением, основанную на синхротронном излучении. Метод позволяет буквально заглянуть внутрь электронной структуры материала, проследив, как электроны распределяются о энергиям и импульсам. Благодаря этому удалось зафиксировать существование узловых состояний - особых точек в энергетическом пространстве, где характеристики электронных волн резко меняются.
Выяснилось, что даже при минимальной концентрации дырок во внутреннем слое оксида меди сверхпроводящие узлы сохраняют устойчивость. Это стало возможным благодаря эффекту близости: внешние слои, более насыщенные носители заряда, как бы поддерживают внутренний, передавая ему сверхпроводящие взаимосвязи. В результате формируется широкий энергетический зазор с пониженной плотностью состояний, который защищает систему от разрушения сверхпроводящего состояния.
Особенно интересен тот факт, что признаки сверхпроводимости наблюдаются при температурах, заметно превышающих температуру перехода, характерную для внутреннего слоя в изоляции. Это указывает на более сложный и устойчивый механизм формирования сверхпроводящего состояния, чем считалось ранее. Подобная устойчивость может стать ключом к созданию материалов, работающих в более мягких температурных условиях.
Открытие узлового металла в трёхслойных купратных структурах не только углубляет понимание фундаментальной природы сверхпроводимости, но и задаёт ориентиры для дальнейших открытий. Путь к сверхпроводникам, пригодным для массовых технологий, станет значительно короче, если удастся управлять взаимодействием слоев и электронным состоянием в подобных системах. В таком случае существует потенциал для перехода к энергетическим сетям без потерь, более компактной электронике и мощным магнитным и системам.
Нужно оборудование?
Звоните: 8 (800) 777-23-97
Точных Вам измерений!