Сопротивление порождает волны

Наблюдается растущее понимание условий, требуемых для сверхпроводимости и того, как ее можно достичь при реалистичных температурах.

Даже физики могут указать направления движения в сторону энергосбережения. Международная группа ученых из Центра квантовых материалов, запущенного Обществом Макса Планка в сотрудничестве с университетом Британской Колумбии, способна в настоящий момент дать ряд советов ученым-материаловедам по развитию высокотемпературных сверхпроводников.

Термин «сверхпроводник» традиционно используется для описания материалов, включая керамические купраты, которые теряют электрическое сопротивление при значительно более высоких температурах, чем обычные сверхпроводники, но все еще значительно ниже точки замерзания воды.

В ходе двух дополнительных исследований физики установили, что сверхпроводимость в купратах коллапсирует при максимальных 135 градусах ниже нудя по Цельсию вследствие формирования волн зарядовой плотности. Эти периодические колебания в распределении электрических зарядов разрушают сверхпроводимость. Следовательно, чтобы найти сверхпроводники, которые снижают сопротивление до нуля при реалистичных температурах, материаловедам требуется искать вещества, которые не подлежат волнам зарядовой плотности.

Почти 2% электроэнергии произведенной электростанциями, теряются в электросети. В одной только Германии это эквивалентно энергии, произведенной одной средней угольной электростанцией. Подобные потери могут вырасти в будущем, когда энергия больших прибрежных ветряковых ферм будет транспортироваться в регионы, не имеющие выходя на побережье. Если бы сверхпроводники могли работать без потерь, они стали бы решением проблемы, даже при летних температурах. Для систематического поиска таких материалов физикам необходимо для начала получить точную картину того, почему современные лучшие сверхпроводники утрачивают сопротивление, и как можно повысить рабочую температуру. Над решением этих задач работа ведется на протяжении уже 30 лет. Постепенно картина начинает проясняться. Два новых исследования показали еще несколько элементов паззла.

«Мы установили волны зарядовой плотности в купратах при температурах выше тех, которые делают их сверхпроводниками», сказал Бернхард Кеймер. „Как и сверхпроводимость, эти явления вызваны сильным взаимодействием между электронами“.

Физикам давно известно, что сверхпроводимость может возникать лишь в определенных условиях: во-первых, между электронами должно быть сильное взаимодействие. Факт в том, что силы, которые, как полагает текущее исследование, должны быть магнитными, связывают электроны, чтобы сформировать куперовские пары, которые затем проносятся сквозь кристаллическую решетку. Исследователям также известно уже давно, что сильное взаимодействие способно вызвать другие электронные явления, например, магнетизм или даже волны зарядовой плотности, которые совершенно несовместимы со сверхпроводимостью.

«Эти различные состояния конкурируют друг с другом в материалах», пояснил Кеймер. „И то, что одерживает верх, часто решается простым минимальным расстоянием“. Это означает, что независимо от того, является материал сверхпроводящим или не зависит слишком сильно от элементарного состава и структуры, всегда имеет место шанс. Однако текущие исследования дают ученым больше сведений о том, когда и при каких обстоятельствах происходит сверхпроводимость. „Мы приближаемся к цели предсказания этого состояния и развития материалов, которые останутся сверхпроводниками даже при высоких температурах“, сообщил физик.

Международная группа теперь добилась лучшего понимания сверхпроводимости с помощью экспериментов на двух материалах, которые содержат характерные компоненты оксида меди и висмута, и которые называются Bi2201 и Bi2212 в соответствии с разными долями элементов, которые они содержат. Ученые исследовали по одному набору каждого материала, используя различные методы. В сотрудничестве с рабочей группой из Helmholtz-Zentrum Berlin исследователи проанализировали оба материала с помощью рентгенного рассеивания на синхротроне. Эти эксперименты выявили детали распределения заряда внутри материалов. Один из ученых отправился в Принстонский университет, захватив с собой материал в герметичном контейнере. Там партнеры проекта просканировали образец с помощью растрового туннельного микроскопа, который позволил зафиксировать распределение заряда на поверхности. Физики из университета Британской Колумбии также исследовали образец Bi2201 с помощью фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением, которая показала больше деталей электронной структуры в поверхности материала.

Волны зарядовой плотности наблюдаются во всех сверхпроводниках-купратах

С помощью дополнительных испытаний ученые для обоих образцов установили, что волны зарядовой плотности наблюдаются в различных купратах висмута, и что они формируются по всему материалу, а не только на поверхности. «Так как мы уже обнаружили волны зарядовой плотности в другом сверхпроводнике-купрате, можно предположить, что они происходят во всех таких сверхпроводниках и нарушают сверхпроводимость», пояснил Бернард Кеймер.

Одно из двух исследований привело ученых к решению еще одной части ребуса высокотемпературной сверхпроводимости, позволяя им объяснить аномалии в групповой структуре материалов. Групповая структура — это тип мастер-плана электронного поведения материала, который позволяет определить, является ли материал металлическим проводником, изолятором или полупроводником. Она отражает то, крепко ли связаны электроны, способны ли они свободно перемещаться в пределах материала или им необходима энергия для преодоления ширины запрещенной зоны, чтобы перемещаться беспрепятственно.

Цель: точное управление электронными силами

Групповая структура сверхпроводников содержит псевдопромежутки, называемые так потому, что в отличие от промежутков в изоляторах данные промежутки не завершены и даже не существуют для электронов на определенных скоростях. И все же для многих электронов псевдопромежутки означают, что заряженная частица более не может двигаться беспрепятственно по материалу.

«Мы установили, что причина появления псевдопромежутков лежит в волнах зарядовой плотности», пояснил Бернхард Кеймер. Это легко понять, поскольку, когда электроны следуют фиксированным порядком, они утрачивают мобильность. „Псевдопромежутки можно проследить в обратном направлении, до сильного межэлектронного взаимодействия“, добавил Кеймер.

В будущем усилия сосредоточатся на точном контроле сильных взаимодействий между электронами. Только это позволит физикам и материаловедам направлять силы так, чтобы скрепить куперовские пары даже при окружающих температурах, без образования волн зарядовой плотности.

«Если нам это удастся, то будет сделан весомый вклад в будущее электроэнергии», заключил Бернхард Кеймер.