Спин электрона может быть ключом к высокотемпературной сверхпроводимости

Купраты являются материалами с большими перспективами для достижения сверхпроводимости при более высоких температурах (-120 ^oC). Это может обеспечить передачу электроэнергии без потерь. Интенсивные исследования были направлены на понимание физики купратов в надежде, что можно будет разработать высокотемпературные сверхпроводники. Ученые из EPFL использовали передовую технику, чтобы раскрыть, каким образом купраты становятся сверхпроводниками.

Обычные сверхпроводники являются материалами, которые проводят электричество без какого-либо электрического сопротивления при температурах, приближающихся к абсолютному нулю (-273,15 °C). В этих условиях электроны материала объединяются и образуют так называемые "куперовские пары", и в таком виде ток может протекать без сопротивления. Как правило, куперовские пары образуются при очень низких температурах и только тогда, когда атомы сверхпроводника колеблются и создают силу притяжения между электронами.

Однако есть класс сверхпроводников, где куперовские пары не образуются. Эти сверхпроводники – материалы на основе меди, называемые "купраты", и при нормальных температурах они на самом деле являются электрическими изоляторами и магнитами.

Популярность купратов исходит из того, что они становятся сверхпроводниками при значительно более высоких температурах, чем другие материалы: чуть более -123,15 °С. Это делает купраты отличным кандидатом на пути к повседневной сверхпроводимости. Однако предыдущие исследования показали, что купраты не переходят в сверхпроводящее состояние тем же способом, как и другие материалы, что ставит вопрос – как возникает сверхпроводимость в купратах?

Команда ученых во главе с Марко Гриони (Marco Grioni) из EPFL использовала передовой метод спектроскопии для исследования уникальной сверхпроводимости купратов. Ученые использовали технику, называемую резонансное неупругое рентгеновское рассеяние, которое применяется для исследования электронной структуры материалов. Этот метод с высоким разрешением был в состоянии контролировать то, что происходит с электронами образца купрата, когда он переходит в сверхпроводник.

«Как правило, сверхпроводники не уживаются с магнетизмом, - говорит Гриони. - Либо у вас есть хороший магнит, либо хороший сверхпроводник, но не оба. Купраты очень разные, и по-настоящему всех удивляют, потому что они в нормальных условиях изоляторы и магниты, но они становятся сверхпроводящим, когда добавляются несколько дополнительных электронов путем мягкой подстройки своего химического состава».

Ключевым компонентом магнетизма является квантовое свойство электронов, называемое спин. Спины могут взаимодействовать друг с другом и создавать спиновые волны, которые перемещаются вдоль материала. Когда магнитные материалы возмущаются, создаются спиновые волны, которые распространяются как рябь по всему объему. Такие спиновые волны являются явными «отпечатками пальцев» магнитного взаимодействия и структуры. Даже тогда, когда купраты становятся сверхпроводящими, они не теряют своих магнитных свойств. «Что-то от магнита остается в сверхпроводнике и может играть важную роль в появлении сверхпроводимости, - говорит Гриони. - Новые результаты дают нам лучшее представление о том, как спины взаимодействуют в этих увлекательных материалах».

Результаты исследования предлагают новое понимание сверхпроводимости в купратах, и, возможно, в других высокотемпературных сверхпроводниках. Раскрывая роль спиновых взаимодействий, они могут проложить путь для ввода высокотемпературных сверхпроводников в реальный мир.

Марко Гриони

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365