Физики экспериментально увидели трехмерные волны зарядовой плотности в сверхпроводнике

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 (T_С) и понижается при более низких температурах, при этом практически не зависит от магнитного поля. Трехмерные «волны» существуют при температурах ниже Т_С 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.

Екатерина Козлякова