Международной команде физиков удалось объяснить природу особых структур в сверхпроводниках, которые, как и магнитное упорядочение, могут нарушать сверхпроводимость. Речь идет о так называемых «волнах зарядовой плотности», возникающих в этих материалах при низких температурах и в магнитных полях. Результаты этого эксперимента смогли «примирить» противоречивые данные об этом явлении, полученные ранее, и дополнить их новыми фактами. Работа опубликована в журнале Science, пресс-релиз можно прочесть на сайте SLAC National Accelerator Laboratory.
Волны зарядовой плотности представляют собой стоячие волны электронной плотности (их можно представить как, например, чередующие полосы положительного и отрицательного заряда).Они появляются в некоторых кристаллах при низких температурах из-за смещения ионов и электронов в кристаллической решетке. Это смещение не настолько сильное, чтобы приводить к полному перестроению структуры, то есть к фазовому переходу, но из-за него изменяется распределение зарядовой плотности в кристалле — образуется так называемая сверхструктура.
Ранее было доказано, что явление связано не с самой кристаллической структурой — периоды этих «волн» не соразмерны параметрам решетки — а с взаимодействием между ионной и электронной подсистемами. Согласно действующей теории, сверхпроводимость тоже возникает из-за влияния колебаний кристаллической решетки на электронную подсистему. Интуитивно предсказываемое наличие корреляций между «волнами зарядовой плотности» и сверхпроводимостью — экспериментально доказанный факт. Однако существует набор экспериментальных данных, которые противоречат друг другу в вопросах характера этой взаимосвязи для высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП).
В ранних экспериментах ученые измерили, как ведет себя скорость звука в материале при высоких магнитных полях, и смогли «увидеть» двумерные зарядовых волны в ВТСП. Результаты измерений ядерного магнитного резонанса показывают наличие уже двух типов волн — первые образуются только при высоких внешних магнитных полях, а вторые — в отсутствии поля и никак от него не зависят. Температуры перехода в состояния с волнами зарядовой плотности, полученные разными методами, сильно различаются, к тому же ни один из них не дает информации о структуре тех из них, которые возникают в сильных магнитных полях.
Основная задача, которую поставили перед собой авторы данной работы, — совместить в одном эксперименте области полей и температур всех предыдущих измерений, которые приводили к противоречивым результатам. Кроме того, ученые хотели получить более точную информацию об этих «волнах». Для этого авторы провели эксперимент по рентгеновскому рассеянию в высокотемпературном сверхпроводнике — иттрий-бариевом купрате. Образец облучали мощным рентгеновским лазером и наблюдали, как изменяется луч после прохождения через его толщу. В процессе эксперимента фиксировалась температура образца и внешнее магнитное поле, которое специально создавали, чтобы понять, как оно влияет на образование зарядовых "волн«.
Для создания сильных магнитных полей (до 28 Тесла) ученые использовали миллисекундный импульсный источник магнитного поля. В качестве источника рентгеновского излучения авторы задействовали лазер на свободных электронах, который расположен в одной из секций линейного ускорителя заряженных частиц. Поскольку инжекция электронов в ускоритель ведется в импульсном режиме, излучение от лазера также получается отдельными вспышками. Важной задачей для экспериментаторов стала синхронизация импульсов от лазера и магнита.
Оказалось, что существует два различных типа волн зарядовой плотности в сверхпроводниках — двумерные, которые образуются как в нулевом, так и внешнем поле, и трехмерные, только при высоких магнитных полях. Амплитуда двумерных «волн» достигает максимума при температуре сверхпроводящего перехода (TС) и понижается при более низких температурах, при этом практически не зависит от магнитного поля. Трехмерные «волны» существуют при температурах ниже ТС и их амплитуда растет при увеличении поля. Ученые заявляют, что их исследования подтверждает предыдущие заявления о том, что волны зарядовой плотности подавляют сверхпроводимость, как и, например, магнитное поле.
Явление сверхпроводимости привлекает многих исследователей широкими возможностями его практического применения. Сочетание эффектов нулевого сопротивления и способности полностью выталкивать магнитное поле из своего объема уже используется, например, в магнитно-резонансной томографии или в ускорителях заряженных частиц. Но температуры, при которых такие материалы работают, по-прежнему остаются слишком низкими — для охлаждения приходится применять жидкий азот или даже гелий. Ученые считают, что понимание причин, влияющих на подавление или усиление сверхпроводимости, сможет помочь в создании материалов, работающих при более высоких температурах.
Китайские специалисты занимаются строительством установки, которая будет использоваться для моделирования условий, возникающих при термоядерном взрыве. Как пишет South China Morning Post, новая установка, аналогичная американской Z-машине, будет использоваться для исследований в области высоких энергий и ядерных процессов в интересах китайских военных. Новая установка должна заработать в ближайшие несколько лет.