Международная исследовательская группа, состоящая из ученых из Института физики Китайской академии наук, Мэрилендского университета (UMD) и Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли, собрала экспериментальные данные, проливающие свет на механизм высокотемпературной сверхпроводимости в так называемых купратные (оксид меди) сверхпроводники, которые были впервые обнаружены в 1986 году. Результаты были опубликованы в Nature 16 февраля.
После десятилетий согласованных исследований ученых всего мира точный механизм сверхпроводимости остается неясным. Систематические эксперименты, проведенные совместной группой с использованием комбинаторного подхода, выявили точную количественную связь между температурой перехода в сверхпроводящее состояние T c и удельным сопротивлением нормального состояния (состояние, в котором материал больше не является сверхпроводящим при повышении температуры или приложении магнитного поля). в легированном электронами купратном сверхпроводнике La 2-x Ce x CuO 4 впервые.
В подходе комбинаторных материалов большой композиционный вариант создается на одном чипе, называемом библиотекой. Обычно комбинаторный подход используется для исследования и открытия новых материалов путем скрининга широкого композиционного ландшафта в одном эксперименте. С 2013 года группа Института физики разрабатывает передовой высокопроизводительный метод, состоящий из комбинаторной лазерной молекулярно-лучевой эпитаксии .и многомасштабные (от микронов до миллиметров) встроенные схемы быстрой характеристики, которые можно применять для исследований высокотемпературной сверхпроводимости. Через восемь лет они смогли использовать комбинаторную библиотеку, чтобы составить карту того, как сверхпроводящие свойства и свойства сверхпроводника в нормальном состоянии меняются с незначительными изменениями состава с беспрецедентным разрешением и точностью.
В сверхпроводниках ниже температуры перехода Tc электроны образуют пары (известные как куперовские пары), которые затем могут жить и переносить ток в когерентном состоянии без электрического сопротивления. Сообщество задалось вопросом: каков конкретный механизм, вызывающий образование пар в купратных сверхпроводниках? Наблюдаемая в исследовании взаимосвязь связывает силу сверхпроводимости с рассеянием электронов и, таким образом, несет важную информацию о внутренней работе этого семейства сверхпроводников.
Фактически, купратные сверхпроводники демонстрируют то, что известно как поведение «странного металла», когда удельное сопротивление в нормальном состоянии линейно увеличивается с температурой. Напротив, в обычном металле электроны испытывают сопротивление различными способами, рассеиваясь на решетке, примесях и т. Д., Каждое рассеяние имеет свою собственную температурную зависимость и приводит к сложной общей температурной зависимости.
Считается, что это простое, но странное «линейное по Т» поведение купратов отражает механизм сверхпроводимости. Поразительное соотношение, обнаруженное командой, а именно T c ~ A 0,5 , где A — линейный температурный коэффициент удельного сопротивления, также наблюдалось в других совершенно других семействах сверхпроводников, включая «другие» высокотемпературные сверхпроводники, так называемые соединения на основе железа, а также класс органических сверхпроводников.
«Удивительно то, что все эти разрозненные семейства сверхпроводников демонстрируют одинаковое поведение масштабирования T c и A . Этот неожиданный универсальный масштаб указывает на то, что, возможно, существует общее происхождение сверхпроводимости во всех этих нетрадиционных сверхпроводниках», — сказал Джин Куи, руководитель проекта, руководителем и заместителем директора Национальной лаборатории сверхпроводимости Института физики в Пекине.
«Что еще более важно, это указывает на то, что высокотемпературная сверхпроводимость и линейное удельное сопротивление, два, казалось бы, несвязанных физических эффекта, тесно связаны. Это дает важный ключ, который может помочь нам раскрыть тайну высокотемпературного механизма » . сказал Сян Тао, теоретик конденсированных сред из Института физики и президент Пекинской академии квантовых информационных наук.
Одним из источников, который всегда обсуждался в сообществе, является образование сверхпроводящих пар посредством взаимодействия со спиновыми флуктуациями, которые представляют собой волны магнитных волчков, каждый из которых расположен в отдельных атомных позициях в основной кристаллической структуре материала. «Среди семейств сверхпроводников, которые мы сравнивали здесь, по крайней мере в одном, органическом сверхпроводнике, известном как (TMTSF) 2 PF 6 , общепринятым механизмом сверхпроводников являются спиновые флуктуации, и поэтому весьма вероятно, что работает тот же или подобный механизм. в купратах тоже, — сказал Джин.
Ключом к успешному раскрытию этой тонкой взаимосвязи между T c и A впервые стал высокоточный контроль состава, достигнутый в библиотеках тонких пленок. «Нам удалось показать, что можно контролировать и непрерывно отслеживать состав соединения, параметр x в La 2-x Ce x CuO 4 , с точностью до Δ x = 0,0015. Такой высокоточный контроль состава в этом Этот тип материалов никогда не демонстрировался, и это, безусловно, невозможно с химией объемного твердого тела», — сказал Ичиро Такеучи, преподаватель UMD, который помог пионером комбинаторного подхода, и еще один старший автор настоящей работы.
Чтобы определить состав в каждой точке библиотеки с такой точностью, была проведена синхротронная микродифракция в Advanced Light Source (Национальная лаборатория Лоуренса в Беркли). Изменение постоянной решетки соединения было нанесено на карту с микрометровым разрешением на библиотечном чипе, который затем использовался в качестве эталона для измерения состава.
«Обнаруженное скейлинговое соотношение связывает силу спаривания сверхпроводимости с процессом диффузии носителей заряда. Это также первое соотношение, связывающее сверхпроводимость с определенным свойством в нормальных состояниях. Механизмы высокотемпературной сверхпроводимости», — сказал Ху Цзянпин, теоретик этой работы, а также заместитель директора Института физики.
«Спустя более трех десятилетий после открытия купратных сверхпроводников до сих пор не хватает неопровержимых доказательств для расшифровки лежащего в их основе механизма. Точные законы количественного масштабирования заслуживают особого внимания со стороны сообщества», — сказал Чжао Чжунсянь, известный ученый в области сверхпроводящих материалов, который основал Национальный Лаборатория сверхпроводимости в Институте физики, а также обладатель высшей награды в области науки и техники в Китае.
В купратных сверхпроводниках осталось еще много загадок. Исследовательская группа планирует продолжать систематически преследовать их, используя комбинаторный подход для изучения других ключевых элементов в создании высокотемпературной сверхпроводимости.
