Раскрыли важную тайну купратов: странные соединения металла ведут науку к сверхпроводникам

Спектрометр ERIXS, разработанный в сотрудничестве с Миланским политехническим университетом в Европейском центре синхротронного излучения в Гренобле, — мировой рекордсмен по разрешающей способности.


Спектрометры позволяют изучить свойства материалов на атомном уровне по тому, как исследуемый материал рассеивает рентгеновские лучи. Таким образом исследователи смогли обнаружить флуктуации (отклонения) заряда в купратах и подтвердить существование квантовой критической точки.

Купраты (от латинского названия меди cuprum) — общее название семейства сложных соединений меди. Купраты имеют важное значение в физике высокотемпературных сверхпроводников.

Вообще, поиск сверхпроводника, способного работать при комнатной температуре, — одна из заветных целей физиков. В случае удачи счастливчикам удалось бы приблизиться созданию в 1000 раз более энергоэффективных устройств.

Исследователи из Швеции и Италии стали на шаг ближе к идеалу, так как раскрыли важную тайну купратов, которая десятилетиями ускользала от других учёных.

Сверхпроводящие материалы позволяют передавать электрическую энергию с нулевым сопротивлением и 100-процентной эффективностью — в отличие от обычных проводящих материалов, при использовании которых энергия частично теряется в виде тепла. Однако большинство сверхпроводящих материалов сегодня могут работать только при очень низких температурах, примерно при −269 градусов Цельсия. А это, в свою очередь, требует больших энергетических затрат и затрудняет практическое применение.

Загадочным исключением в мире сверхпроводящих материалов остаются купраты, которые из-за этого называют странными материалами. Эти оксиды меди проводят электричество с нулевым сопротивлением при температурах, намного превышающих температуру обычных сверхпроводников, примерно при −140 градусов по Цельсию. Хотя общеизвестно, что электрическое сопротивление в купратах изменяется с температурой иначе, чем в обычных металлах, физики до недавних пор не смогли объяснить, в чём причина такой «странности».

Риккардо Арпайя, ведущий автор исследования, прокомментировал, что обнаруженное им с коллегами — важный шаг вперёд в понимании не только аномальных свойств купратов, но и всё ещё неясных механизмов, лежащих в основе высокотемпературной сверхпроводимости.

В исследовании, опубликованном в Nature Communications, физики сообщили об открытии квантовой критической точки, связанной с фазой, когда металл проявляет свою проводящую «странность».

В ходе исследования проводили эксперименты по рассеянию рентгеновских лучей с помощью европейского синхротрона ESRF и британского DLS. Так удалось обнаружить существование флуктуаций плотности заряда, которые влияют на электрическое сопротивление купратов, делая их «странными». Целенаправленное измерение флуктуаций позволило определить значение плотности носителей заряда, при котором эта энергия минимальна, то есть квантовую критическую точку.

Координатор исследований профессор физики Джакомо Гирингелли прокомментировал, что доказать существование квантовой критической точки удалось благодаря многочисленным измерениям и новым методам анализа данных. И добавил, что лучшее понимание купратов поможет разработать более совершенные материалы для использования в технологиях завтрашнего дня.