Переход в состояние сверхпроводимости удалось разглядеть с атомным разрешением

Сверхпроводимость — состояние, свойственное некоторым материалам, когда они проводят ток с нулевым омическим сопротивлением; для перехода в это состояние они должны быть охлаждены до –140 ˚C и ниже. Семейство материалов, обладающее наиболее высокой температурой перехода, называется купратными высокотемпературными сверхпроводниками. Эти соединения, представляющие максимальный научный интерес, известны довольно давно, но наука до сих пор не имеет чёткого представления о деталях фундаментального механизма, который лежит в основе явления. Определение того, что именно отвечает за сверхпроводящий переход в купратных фазах, считается одной из самых сложных задач физики конденсированного состояния.

Учёные из Института физико-химических исследований RIKEN (Япония) рассмотрели переход материала из «нормального» состояния в сверхпроводящее под «увеличительным стеклом» сканирующего туннельного микроскопа (СТМ). Удивительно, но факт: несмотря на огромное количество самых разнообразных данных, накопленных со времени открытия купратных сверхпроводников в 1986 году, было всего несколько попыток проведения микроскопических исследований того, как возникает сверхпроводящее состояние в таких материалах.

Используя уникальное оборудование, представляющее собой комбинацию сверхстабилизированного сканирующего туннельного микроскопа и высококачественных образцов, японцы исследовали загадочное состояние, известное как псевдощелевое. Оно появляется при частичном допировании исходной купратной фазы Ca₂CuO₂Cl₂ атомами натрия. После того как содержание натрия превосходит некий критический уровень, материал становится сверхпроводящим. В случае промежуточных концентраций атомов натрия в структуре купрата материал проходит через псевдощелевое состояние, роль которого в сверхпроводимости до сих пор остаётся предметом жаркий дискуссий.

Авторам работы удалось доказать, что псевдощелевое состояние способно ассистировать скорому появлению сверхпроводимости. При очень низких уровнях допирования исходного купрата наблюдалось формирование нанометровых кластеров, характерных для псевдощелевого состояния. По мере увеличения концентрации гостевых атомов отдельные кластеры начинали постепенно сливаться. Их полное соединение происходило только тогда, когда материал становился настоящим сверхпроводником.

Хотя учёные не спешат с выводом о том, что между сверхпроводимостью и псевдощелевым состоянием есть локальная корреляция, их всё равно стоит поздравить с уникальным открытием, проливающим свет на детали микроскопического поведения купратных сверхпроводников.

Подробнее о работе читайте в статье, опубликованной в Nature Physics.

Подготовлено по материалам Института физико-химических исследований RIKEN.