Высокотемпературная сверхпроводимость: феномен упорядоченных зарядов

Научные сотрудники CIFAR были среди физиков, которые наблюдали явление странной конфигурации, препятствующей высокотемпературной сверхпроводимости, называемой упорядочение зарядов, обнаружив, что это упорядочение полосчатое, а не шахматное, урегулировав тем самым давнюю дискуссию в этой области.

Упорядочение зарядов создает нестабильность в некоторых металлах при температуре выше, чем примерно -100 ᵒС, в результате чего некоторые электроны реорганизуются в новую периодическую статическую структуру, конкурирующую со сверхпроводимостью. Но ученые подумали, что если она может играть существенную роль в формировании тесных электронных пар, которые позволяют им перемещаться без сопротивления.

Для того чтобы понять, какой эффект производит упорядочение зарядов и является ли это помехой, помощью или немного тем и другим, ученые должны сначала разобраться, что это, начав с их конфигурации.

Для определения были ли заряды упорядочены в шахматном порядке или в виде серии полос, использовалось рентгеновское облучение охлажденного иттрия бария меди оксида. Команда исследователей обнаружила, что рисунок является полосчатым. Это означает, что электроны самоорганизуются в одном направлении (1D), а не в плоскости (2D), как было бы при шахматном порядке. Однако когда температура становится достаточно низкой, зарядовое упорядочение нарушается и появляется сверхпроводимость, позволяющая электронам свободно перемещаться без сопротивления, не ограничиваясь одним измерением.

Результат является захватывающим, потому что физика становится гораздо более интересной в пространстве низкой размерности, отметил Андреа Дамачелли (Andrea Damascelli), руководитель группы. А в купратах эти 1D-паттерны реализуются в двумерных плоскостях Cu-O, которые уже ограничивают движение электрона в пространстве размерностью меньше, чем 3D, даже перед упорядочением зарядов.

«Сверхпроводимость в обычных 3D-металлах ограничивается температурой в несколько градусов Кельвина, - говорит он, приводя примеры, такие как алюминий и ниобий. - Высокотемпературные сверхпроводники являются квази-2D металлами, и теперь – с тенденцией электронного упорядочения в одномерном пространстве».

Кроме того, исследователи обнаружили, что зарядовое упорядочение конкурирует со сверхпроводимостью гораздо сильнее в одном направлении, чем в других. Результаты являются важным вкладом в знания о том, что способствует сверхпроводимости, а что ей препятствует.

«Является ли упорядочение зарядов просто аномалией или присутствует во всех этих системах, поскольку есть некое взаимодействие, которое не полностью исчезают при сверхпроводимости? – отметил Риккардо Комин (Riccardo Comin), первый автор статьи в Science. - Два явления конкурируют, но в некотором смысле они также и связаны между собой».

Как сказал Дамачелли, материал в этом исследовании, иттрия бария меди оксид, является «суперзвездой» медных оксидов из-за своей чистоты и высокой температуре перехода.

Эти графики показывают статические паттерны для       полосчатого 1D-упорядочения заряда (а) и 2D шахматного  порядка (c)    в плоскости Cu-O