Квантовый секрет сверхпроводимости

Физики из Национальной лаборатории сильных магнитных полей (LNCMI) в Тулузе, Франция, провели блестящий эксперимент по исследованию высокотемпературной сверхпроводимости в классе материалов, называемых купратами, которые на сегодняшний день являются сверхпроводниками с самой высокой температурой сверхпроводящего перехода. Результаты этой работы, опубликованные на прошлой неделе в журнале Nature, дают ученым важную подсказку о внутреннем механизме сверхпроводимости в купратах, и еще на шаг приближают нас ответу на вопрос, как эти материалы позволяют электричеству свободно протекать при относительно высоких температурах.

Тот самый магнит на 90 Тесла.

В эксперименте команда физиков из LNCMI под руководством Сирилла Пруста и Луи Тайфер из Университета Шербрук (Канада), использовали магнит на 90 Тесла,  который создает магнитное поле почти два миллиона раз сильнее магнитного поля Земли. Возникающее поле такой величины на мгновение разрушает сверхпроводящую фазу в купратном образце и дает возможность "рассмотреть" причины, по которым эта фаза возникает. Сняв "завесу" сверхпроводимости, ученые увидели резкое изменение свойств образца, что говорит о существовании "квантовой критической точки", довольно давно предсказанной теоретиками.

Что касается самой высокотемпературной сверхпроводимости, открытой в купратах еще в 1986 году, то ученые до сих пор не понимают, что же позволяет им сверхпроводить при гораздо более высоких температурах, чем другие материалы, предполагая, что их электроны спарены более сильным взаимодействием (стандартный фононный механизм образования куперовских пар в общем виде описан в этой статье). Однако уже несколько десятилетий квантовомеханическая природа этого взаимодействия остается неясной для ученых. А вопрос этот далеко не праздный, ведь выяснив ответ на него, мы сможем в перспективе создавать соединения, сверхпроводящие при комнатной температуре.

 Sample of yttrium barium copper oxide, one of a class of crystalline materials called cuprates which are the most potent known superconductors.

Образец оксида иттрия-бария-меди (YBCO) - характерный представитель купратов.

Чтобы провести эксперимент по выявлению квантовой критической точки у Пруста с коллегами ушло около 8 лет. Основной сложностью было создать магнитное поле требуемой величины для разрушения сверхпроводимости в купратах. Для этого ученые использовали 600 конденсаторов, одновременно разряжаемых в магнитную катушку из сверхпрочного сплава меди, усиленного волокном Zylon, в несколько раз прочнее кевлара. В течение 10 миллисекунд текущий через катушку сильнейший ток создает в ней мощное магнитное поле, величина которого в данном эксперименте и составила 90 Тесла.

Пока инженеры трудились над созданием сверхмощного магнита, в партнерской лаборатории Университета Британской Колумбии готовили специальные образцы купрата, называемого оксидом иттрия-бария-меди. Они добавляли в него четыре разных концентрации примесей с меньшим числом свободных электронов, увеличивая, таким образом, содержание в материале положительно заряженных носителей тока (дырок), которые должны были соответствовать точкам на фазовой диаграмме материала с обеих сторон от квантовой критической точки. Охлаждая образцы до -223 градусов Цельсия и подвергая их воздействия магнитного поля, ученые измерили количество дырок на один атом (плотность носителей заряда). Обычно эта плотность должна постепенно повышаться при повышении концентрации примесей, но в квантовой критической точке она должна изменяться скачком из-за спонтанного перераспределения электронов в кристалле. Именно это и обнаружили ученые в эксперименте - резкий шестикратный прыжок плотности носителей заряда при величине концентрации примесей в 19% - ожидаемом местонахождении критической точки.

The phase diagram of hole-doped cuprates.

Фазовая диаграмма купратов. Квантовая критическая точка находится около отметки 0.2

Благодаря этому открытию, на текущий момент остается две теории, которые могут объяснить механизм связи в высокотемпературных сверхпроводниках: антиферромагнитный порядок (при котором электроны располагают свои спины вверх-вниз, как на шахматной доске) и теория фракционализованной ферми-жидкости. Чтобы выяснить, какая из этих теорий верна, потребуются еще более мощные магниты - и ученые уже работают над их созданием. Все это позволяет смотреть в будущее высокотемпературной сверхпроводимости с оптимизмом и надеяться на скорую разгадку одной из главных квантовых тайн.

По материалам: https://www.quantamagazine.org/20160222-mega-magnet-reveals-superconductor-secret/

Если Вам понравилась новость, присоединяйтесь к нашему сообществу Вконтакте!