Физики из Корнеллского университета вместе с коллегами из Института Макса Планка, Стэнфорда и Гарварда выявили микроскопические искажения атомов, открывающие путь к высокотемпературной сверхпроводимости. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.
Поиск материалов, способных стабильно проводить электрический ток без потерь при комнатной температуре, остается одной из главных задач физики конденсированного состояния. В новой работе международная команда исследователей представила работу, детально объясняющую, почему перспективный класс материалов на основе оксида никеля (никелаты) приобретает свои сверхпроводящие свойства лишь в экстремальных условиях.
Идеальная симметрия решетки
Двухслойный лантан-никелевый оксид становится сверхпроводником либо в форме массивных объемных кристаллов под колоссальным давлением, либо в виде очень тонких пленок, подвергнутых сильному механическому напряжению. Чтобы понять первопричину, ученые вырастили серию пленок на различных подложках, задавая нужный уровень деформации, и применили передовой метод электронной птихографии для изучения атомных слоев.
Сверхточные современные микроскопы позволили напрямую измерить расположение атомов кислорода и никеля в решетке. Оказалось, что при сжимающем механическом напряжении атомы кислорода выстраиваются в гораздо более симметричную конфигурацию, чем при растяжении. Точно такой же структурный паттерн наблюдается в кристаллах под высоким давлением, что неопровержимо доказывает: именно повышенная симметрия атомных связей является критическим условием для появления сверхпроводимости.
Чистая структура для электронов
Помимо симметрии, пытливые исследователи зафиксировали увеличение длины вертикальных атомных связей в пленках. Сопоставив эти микроскопические структурные изменения со сложными теоретическими физическими моделями, команда выяснила, как геометрия решетки в итоге влияет на квантовое поведение электронов. Выяснилось, что выпрямление и симметричность связей резко снижают хаотичное смешивание различных электронных орбиталей.
В результате внутри материала формируется очень чистая и предсказуемая электронная структура. В таких упорядоченных условиях свободным электронам становится гораздо проще объединяться в классические куперовские пары и беспрепятственно скользить сквозь решетку, совершенно не выделяя тепла. Это исследование предоставляет материаловедам четкую инструкцию того, как искусственно манипулировать геометрией новых сплавов для получения идеальных комнатных сверхпроводников.
Ранее Наука Mail рассказывала, как скручивание сверхпроводящего материала влияет на его свойства.
