Физики увидели в купратных сверхпроводниках флуктуирующие полосы из электронов

С помощью численного моделирования американские физики обнаружили полосы с повышенной концентрацией электронов и упорядоченной системой спинов в купратных высокотемпературных сверхпроводниках даже при повышенной температуре. Но если при низких температурах эти области строго ограничены геометрически, то при ее повышении они начинают сильно флуктуировать, пишут авторы работы, опубликованной в Science.

Для того, чтобы материал мог перейти в сверхпроводящее состояние, при котором электрическое сопротивление становится равным нулю, его необходимо охладить ниже определенной критической температуры. Для классических сверхпроводников это температуры, близкие к температуре жидкого гелия — около нескольких кельвинов. Около 30 лет назад были обнаружены материалы, в которых сверхпроводимость появляется при значительно более высоких температурах (на данный момент рекорд температуры перехода в сверхпроводящее состояние при атмосферном давлении составляет 133 кельвинов). Сейчас материалов с такими свойствами известно довольно много, и наиболее известными среди них являются соединения на основе оксида меди — купраты. Именно им принадлежит и рекорд температуры. Но несмотря на то, что с момента открытия таких материалов прошло уже довольно много времени, универсальной теории, объясняющей сверхпроводимость при таких высоких температурах, пока не предложено.

Группа американских физиков под руководством Эдвина Хуана (Edwin W. Huang) из Стэнфордского университета решила уточнить электронную структуру купратных высокотемпературных сверхпроводников с помощью численного моделирования. По данным многих теорий, объясняющих электронную структуру сверхпроводящих купратов, в них могут формироваться полосы из электронов — протяженные области, в которых электроны и их спины образуют упорядоченную структуру. Такие полосы были обнаружены в других материалах, например, моттовских диэлектриках, и наблюдались экспериментально в купратных сверхпроводниках при очень низких температурах. Предполагается, что полосы должны сохраняться и при повышении температуры, переходя во флуктуирующее состояние, однако экспериментально наблюдать их не удавалось.

Чтобы подтвердить существование таких полос при высоких температурах, ученые провели моделирование квантовым методом Монте-Карло одного слоя купратного сверхпроводника, состоящего из атомов кислорода и меди. Получить достаточно точные результаты ученым удалось благодаря моделированию системы достаточно объема, что было невозможно ранее из-за меньших вычислительных мощностей.

Оказалось, что полосатая структура действительно сохраняется в купратах и при высоких температурах. Полосы при этом становятся довольно малозаметными и сильно флуктуируют, поэтому их довольно сложно обнаружить в эксперименте. Но, несмотря на флуктуирующий характер, свое влияние на электронные свойства материала они продолжают оказывать и при повышении температуры.

Такое поведение оказалось характерным для всех купратных соединений, изученных в работе, с разной степенью легирования, и для некоторых из них наличие флуктуирующих полос характерно до температур вплоть до 600 градусов Цельсия.

По словам ученых, образование таких спиновых и зарядовых полос может быть одной из причин сохранения сверхпроводимости при высоких температурах. Авторы работы надеются, что их результаты станут толчком для развития экспериментальных методик и приблизят появление универсальной теории для высокотемпературной сверхпроводимости.

Купраты — не единственные материалы, которые обладают сверхпроводящими свойствами при высоких температурах. Например, рекордсменом по температуре перехода в сверхпроводящее состояние не при сверхвысоких давлениях является сероводород. Высокотемперурными сверхпроводниками являются многие интерметаллиды. Недавно сверхпроводимость при достаточно больших температурах была обнаружена и у материалов на основе арсенида кальция и железа.

Александр Дубов