Група фізиків під керівництвом Мілана Аллана з Мюнхенського університету Людвіга-Максиміліана та Інгмара Сварта з Утрехтського університету знайшла відповідь на давнє питання фізики конденсованого стану. У статті, опублікованій у журналі Science, вчені пояснили механізм роботи купратів — матеріалів на основі міді, здатних до надпровідності при відносно високих температурах, яких можна досягти за допомогою рідкого азоту.
Головною загадкою купратів був так званий «псевдощілинний стан» (pseudogap). Це явище, при якому частина електронів у матеріалі ніби зникає ще до того, як він стає надпровідним. «Псевдощілина — це феномен зниклих електронів. Усі знають, що за допомогою різних методів вимірювання можна побачити ці зниклі електрони, але ніхто не знає чому», — пояснив Мілан Аллан.
Протягом десятиліть наукова спільнота розділилася на два табори. Одні припускали, що електрони «замерзають» у певні структури, наприклад, хвилі густини заряду, і надпровідність виникає окремо. Інші вважали, що електрони формують пари (так звані пари Купера), які є передумовою надпровідності, але ще не можуть рухатися узгоджено. Довести одну з цих теорій було вкрай важко через суперечливі дані експериментів.
Щоб розв’язати цю проблему, дослідники вирішили «послухати» електричний шум, що виникає під час проходження струму через купрат. Вони зосередилися на так званому дробовому шумі — мікроскопічних коливаннях, спричинених окремими зарядами. «Якщо уявити дощ, де краплі раптом стають удвічі важчими, шуму буде більше. З електронами схожа ситуація: якщо вони рухаються парами, шуму буде більше», — пояснив Аллан.
Для вимірювань команда використала сканувальний тунельний мікроскоп. Він дозволив пропускати струм між гострою голкою та зразком купрату, фіксуючи шум на певних енергетичних рівнях. Дослідники вивчали кристали BSCCO, охолоджені до температур, близьких до абсолютного нуля. Виявилося, що додатковий шум, який свідчить про утворення пар, з’являється саме на рівні енергії псевдощілини.
Щоб виключити інші джерела шумів, наприклад, зміщення атомів на поверхні, вчені помістили зразки в потужні магнітні поля до шести тесла. Це поле пригнічувало утворення пар, але зберігало загальну картину «зниклих» електронів. Як і очікувалося, зі зростанням магнітного поля рівень шуму знижувався до значень, характерних для окремих електронів.
Результати дослідження свідчать про те, що в купратах пари електронів формуються задовго до того, як матеріал стає надпровідним. «Отже, вимальовується картина, де спочатку з’являються попередньо сформовані пари, і лише при нижчих температурах виникає фазова когерентність», — зазначив Інгмар Сварт. Це означає, що головною перешкодою для надпровідності є не саме утворення пар, а їхня здатність рухатися як єдине ціле.
Це відкриття дає надію на те, що в майбутньому фізики зможуть підвищити критичну температуру, при якій матеріали стають надпровідниками. Якщо вчені зрозуміють, як змусити ці «попередньо сформовані» пари рухатися синхронно при вищих температурах, це може відкрити шлях до створення ефективніших технологій передачі енергії та нових електронних пристроїв.
Джерела: arstechnica.com
