«Странное металлическое состояние» купратов оказалось еще более странным

Физики из США, Колумбии и Германии измерили зависимость электрического сопротивления «странного магнитного состояния» купрата La2—xSrxCuO4 в диапазоне температур от 4 до 180 кельвинов и напряженности магнитного поля от 0 до 80 тесла. Оказалось, что сопротивление линейно растет с увеличением температуры и напряженности — такой рост совершенно не похож на поведение обычных металлов, его нельзя объяснить с помощью квазичастиц. Статья опубликована в Science.

В обычных металлах заряд переносят квазичастицы-электроны — коллективные возбуждения на фоне обычных частиц, масса которых может быть во много раз меньше массы «настоящих» электронов. Так же как и обычные частицы, электроны в металле рассеиваются на препятствиях — неоднородностях, дефектах, примесях или даже друг на друге. Если рассеяние происходит слишком часто, электроны «застревают» внутри проводника, и электрический ток по нему течь не может. Если говорить более строго, для свободного протекания заряда характерная длина пробега электронов не должна быть сильно меньше их длины волны де Бройля.

Однако в некоторых высокотемпературных сверхпроводниках все происходит совершенно по-другому — считается, что за проводимость в них отвечает так называемое «странное металлическое состояние» («strange» metallic state), сопротивление которого растет линейно после разрушения сверхпроводимости вплоть до очень высоких температур (более 700 градусов Кельвина). В таких условиях длина рассеяния электронов уже достаточно мала, чтобы сравняться с их длиной волны де Бройля, однако насыщение сопротивления не происходит. Это ставит под сомнение существование квазичастиц в кристалле. Кроме того, это указывает на то, что происходящие в материале процессы не имеют характерного масштаба энергий. К сожалению, физики до сих пор плохо понимают, чем обусловлено такое поведение. Предполагается, что линейная зависимость сопротивления от температуры объясняется тем, что металлическое состояние взаимодействует с критическими флуктуациями, которые сопровождают фазовый переход в сверхпроводящее состояние.

Группа ученых под руководством Паулы Хиральдо-Галло (Paula Giraldo-Gallo) подробно исследовала «странное металлическое состояние» тонкой пластинки купрата La2—xSrxCuO4 в окрестности критической точки, то есть для значений 0,161 < x < 0,190 (материал переходит в сверхпроводящее состояние при критическом значении x ≈ 0,19). Для этого физики помещали образец в сильное магнитное поле, которое создавалось с помощью пульсовых магнитов (pulsed field magnets) в Национальной лаборатории высокого магнитного поля в Лос-Аламосе (Pulsed Field Facility of the National High Magnetic Field Laboratory), а затем измеряли его магнетосопротивление. Когда через такие магниты пропускают мощный короткий импульс тока, они ненадолго — от нескольких микросекунд до нескольких секунд — создают очень сильное магнитное поле, напряженность которого может достигать 80 тесла. Под действием поля сверхпроводящая фаза разрушается, и свойства образца оказываются целиком обусловлены металлической фазой. Для большей точности физики разделили эксперименты на два этапа: сначала они работали с меньшей напряженностью поля (порядка 55 тесла) и измеряли сопротивление пластинок площадью 33×33 миллиметра, а потом уменьшили размеры пластинок и повысили напряженность до 100 тесла.


В результате оказалось, что зависимость сопротивления образца от напряженности магнитного поля выглядит так же странно, как и температурная зависимость: его магнетосопротивление линейно растет с увеличением напряженности. Это поведение заметно отличается от поведения обычных металлов, в которых магнетосопротивление пропорционально произведению циклотронной частоты и времени пробега квазичастиц — при увеличении температуры время пробега электронов уменьшается, и сопротивление падает, однако у исследуемого образца оно только увеличивается. Авторы статьи предполагают, что это связано с тем, что время релаксации в материале напрямую определяется магнитным полем: ħ/τ ~ μB. Также они считают, что здесь нельзя применить стандартную картину с квазичастицами, с помощью которой обычно объясняют явление магнетосопротивления, поскольку она предсказывает другую зависимость.


Кроме того, если ввести коэффициенты пропорциональности в зависимостях сопротивления от напряженности магнитного поля и температуры, то окажется, что оба эти коэффициента плавно изменяются при увеличении x (изменении химического состава купрата). Это также указывает на то, что проводимость «странной металлической фазы» нельзя объяснить с помощью квазичастиц — если бы квазичастицы в нем все-таки были, то их масса бесконечно росла при приближении к критическому значению x, и линейная зависимость нарушалась бы.


Авторы статьи отмечают, что отсутствие масштабной инвариантности около критической точки может привести не только к линейно зависимости магнетосопротивления, но и к любой другой степенной зависимости. Почему в «странной металлической фазе» купратов реализуется только первый вариант, ученым еще предстоит узнать.


В декабре прошлого года американские физики с помощью численного моделирования обнаружили в купратных высокотемпературных сверхпроводниках полосы с повышенной концентрацией электронов и упорядоченной системой спинов, которые начинали сильно флуктуировать при повышении температуры. А в марте этого года ученые из США и Японии впервые изготовили сверхпроводник, состоящий исключительно из атомов углерода, повернув листы двухслойного графена на «магический угол». По своим свойствам получившийся сверхпроводник напоминает купраты.

Подробнее про различные типы сверхпроводимости, которые объясняются различными типами квазичастиц, можно прочитать в нашем материале «Ниже критической температуры».

Дмитрий Трунин

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.