Разрешены две давние загадки высокотемпературной сверхпроводимости

Ученых, работающих в области высокотемпературной сверхпроводимости, уже долгое время озадачивала загадочная «псевдощелевая» (pseudogap) фаза, возникающая при добавлении носителей заряда, и по-видимому конкурирующая со сверхпроводимостью. Было также непонятно, почему в этой фазе движение сверхпроводящих электронов ограничивается определенными направлениями.

В последнем номере Science, ученые Брукхэвенской национальной лаборатории Минэнергетики США и Корнелльского университета сообщают, как, с помощью уникального оборудования, им удалось установить детальные характеристики электронов в купрате (оксиде меди) — одном из тех материалов, которые в процессе преобразования из изолятора в сверхпроводник проходят через псевдощелевую фазу.

«Этот эксперимент стал первым свидетельством прямой связи между исчезновением волн плотности (статического порядка электронов в псевдощели) и связанных с ними кристаллических нанодеформаций с возникновением свободно распространяющихся электронов, требующихся для неограниченной сверхпроводимости, — пишет ведущий автор Симус Дэвис (Séamus Davis), профессор Корнелльского университета. — Новые измерения наконец показали нам почему, в загадочном состоянии псевдощели данного материала, свобода движения электронов ограничивается».

Для того, чтобы визуализировать прежде недоступные наблюдению наноструктурные флуктуации электронной структуры (пространственное положение отдельных статических электронов и направление движения свободных), исследователи применили изобретение Дэвиса — спектроскопический сканирующий туннельный микроскоп. Они систематически сканировали купратный материал при разных уровнях легирования, фиксируя как меняется поведение электронов. Увеличивая степень легирования физики добивались «растворения» волн плотности в определенной критической точке.

При низкой плотности носителей заряда «моментальные снимки» микроскопа выявили упорядоченные «полоски» статических электронов и однонаправленное течение сверхпроводящих. Последующие сканы продемонстрировали как с повышением плотности носителей статический рисунок размывается, и электроны начинают свободнее двигаться в любых направлениях, приближаясь к универсальному состоянию сверхпроводимости. Эти прямые наблюдения стали подтверждением давней гипотезы о том, что статический электронный порядок и связанные с ним нанофлуктуации препятствуют свободному течению электронов.

«Из этого открытия следует, что целенаправленно борясь с возникновением статических полос можно получить материал, действующий как сверхпроводник при меньшей плотности легирования и при гораздо более высокой температуре», — заключил Дэвис.