В некоторых сверхпроводниках электроны ведут себя «шизофренически»

Физики Ци Мяо Сы (Qimiao Si) и Жун Юй (Rong Yu) из Университета Райса (США) объяснили наблюдавшееся ранее состояние ряда высокотемпературных сверхпроводников на основе железа, селена и калия. Напомним: не так давно исследователи из Стэнфордского университета, облучая рентгеновскими лучами упомянутые сверхпроводники при температурах чуть выше перехода в сверхпроводящее состояние, обнаружили, что часть электронов в атомах железа застыла на месте, в то время как другая продолжала оставаться высокоподвижной.

Ци Мяо Сы и Жун Юй предложили объединённую фазовую диаграмму — отображение равновесного состояния физико-химической системы при условиях, отвечающих координатам рассматриваемой точки на диаграмме.

Ци Мяо Сы (слева) и Жун Юй (фото RU).

Свойства высокотемпературных щелочных селенидов железа (K_1-xFe_2-ySe₂) рассматриваются тут как логическое продолжение их качеств как диэлектриков Мотта. Изоляторы Мотта являются таковыми при высокой степени неупорядоченности кристаллической решетки. Теоретически у них достаточно свободных электронов для того, чтобы проводить ток, но в жизни этого не происходит, что объясняется квантовомеханическим взаимодействием между соседними электронами в их атомах.

В классическом сверхпроводнике сопротивление исчезает, когда электроны группируются в пары таким образом, что могут «путешествовать» по материалу без столкновений. В нормальных условиях (при несверхнизких температурах) такое состояние, будучи, по сути, квантовым, исчезает в условиях теплового шума. Поэтому в высокотемпературных сверхпроводниках эффект перетока электронов без сопротивления объясняется иными механизмами. Согласно ранее предложенной теми же учёными модели, поведение электронов в таких средах «взаимно скореллированное», то есть электроны взаимодействуют как единая система, а не ведут себя как сумма частиц.

Ранее удавалось наблюдать странное падение сопротивления без возникновения сверхпроводимости при температурах, чуть выше перехода в сверхпроводимость для щелочных селенидов железа. Как объяснить это явление и избирательную подвижность электронов, замеченную стэнфордцами?

Согласно моделям, предложенным авторами работы, это связано с «шизофреническим» состоянием электронов у порога сверхпроводимости: часть их, находящихся на одних орбиталях, уже способна свободно передвигаться в материале, а другие, напротив, заморожены на своих местах. Естественно, движущиеся электроны взаимодействуют («сталкиваются») с неподвижными и образуют «пробки», что не позволяет сопротивлению упасть до нуля.

По словам Жун Юя, им впервые удалось привязать явление к конкретной теоретической модели: «Мы идентифицировали орбитально избирательную фазу Мотта в любой модели сверхпроводников на основе железа».

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Physical Review Letters.

Подготовлено по материалам Университета Райса.