В новой статье в журнале Nature Physics исследователи из Калифорнийского технологического института наконец-то решили одну часть этой непреходящей головоломки. Они подтвердили, что переходная фаза вещества, называемая псевдощелью, которая возникает до того, как эти материалы охладятся до сверхпроводимости, представляет собой отдельное состояние вещества, свойства которого сильно отличаются от свойств самого сверхпроводящего состояния.Когда материя переходит из одного состояния или фазы в другое — скажем, при замерзании воды в лед — происходит изменение порядка расположения частиц материалов.
Ранее физики обнаружили намеки на некоторый тип упорядочения электронов внутри псевдощелевого состояния. Но как именно они упорядочивали — и представлял ли этот порядок новое состояние материи — до сих пор было неясно.«Своеобразным свойством всех этих высокотемпературных сверхпроводников является то, что непосредственно перед тем, как они войдут в сверхпроводящее состояние, они неизменно сначала входят в псевдощелевое состояние, происхождение которого столь же, если не более загадочно, чем само сверхпроводящее состояние», — говорит Дэвид Сие, профессор кафедры. физика в Калифорнийском технологическом институте и главный исследователь нового исследования. «Мы обнаружили, что в состоянии псевдощели электроны образуют весьма необычный паттерн, который нарушает почти все симметрии пространства.
Это дает очень убедительный ключ к фактическому происхождению состояния псевдощели и может привести к новому пониманию того, насколько высока -температурные сверхпроводники работают ".Явление сверхпроводимости было впервые обнаружено в 1911 году.
Когда некоторые материалы охлаждают до сверххолодных температур, вплоть до нескольких градусов выше абсолютного нуля (несколько градусов Кельвина), они несут электрический ток без сопротивления, так что нет тепла или теряется энергия. Напротив, наши ноутбуки не сделаны из сверхпроводящих материалов и поэтому испытывают электрическое сопротивление и нагреваются.Для охлаждения материалов до таких чрезвычайно низких температур требуется жидкий гелий. Однако, поскольку жидкий гелий редок и дорог, физики ищут материалы, которые могут функционировать как сверхпроводники при все более высоких температурах.
Так называемые высокотемпературные сверхпроводники, открытые в 1986 году, теперь, как известно, работают при температурах до 138 Кельвина (минус 135 градусов Цельсия) и, таким образом, могут охлаждаться жидким азотом, который более доступен по цене, чем жидкий гелий. Однако вопрос, который ускользнул от физиков, несмотря на три Нобелевские премии, присужденные на сегодняшний день в области сверхпроводимости, заключается в том, как именно работают высокотемпературные сверхпроводники.
Танец сверхпроводящих электроновМатериалы становятся сверхпроводящими, когда электроны преодолевают свое естественное отталкивание и образуют пары. Это спаривание может происходить при очень низких температурах, позволяя электронам и переносимым ими электрическим токам двигаться беспрепятственно. В обычных сверхпроводниках образование пар электронов вызывается собственными колебаниями кристаллической решетки сверхпроводящего материала, которые действуют как клей, удерживая пары вместе.
Но в высокотемпературных сверхпроводниках эта форма «клея» недостаточно сильна, чтобы связывать электронные пары. Исследователи считают, что псевдощель и то, как электроны упорядочиваются в этой фазе, позволяют понять, что этот клей может представлять собой для высокотемпературных сверхпроводников.
Чтобы изучить упорядочение электронов в псевдощели, Хси и его команда изобрели новый лазерный метод, называемый нелинейной оптической вращательной анизотропией. В этом методе лазер направлен на сверхпроводящий материал; в данном случае кристаллы оксида иттрия-бария-меди (YBa2Cu3Oy).
Анализ отраженного света на половине длины волны по сравнению с входящим показывает любую симметрию в расположении электронов в кристаллах.Нарушенные симметрии указывают на новую фазуРазличные фазы материи обладают разными симметриями.
Например, когда вода превращается в лед, физики говорят, что симметрия «нарушена».«В воде, — объясняет Се, — молекулы H2O ориентированы довольно случайным образом.
Если вы плавали в бесконечном бассейне с водой, ваше окружение выглядело бы одинаково, независимо от того, где вы находитесь. Во льду, с другой стороны, молекулы H2O образуют регулярную периодическую сеть, поэтому, если вы представляете себя погруженным в бесконечную глыбу льда, ваше окружение будет выглядеть по-разному в зависимости от того, сидите ли вы на атоме H или O. Поэтому мы говорим, что трансляционная симметрия пространства нарушается при движении от воды до льда ".С помощью нового инструмента команда Се смогла показать, что электроны, охлажденные до фазы псевдощели, нарушают определенный набор пространственных симметрий, называемых инверсией и вращательной симметрией. «Как только система вошла в область псевдощели, в зависимости от температуры или количества кислорода в соединении, произошла потеря инверсионной и вращательной симметрии, что явно указывает на переход в новую фазу вещества», — говорит Люян.
Чжао, научный сотрудник лаборатории Се и ведущий автор нового исследования. «Замечательно, что мы используем новую технологию для решения старой проблемы».«Открытие нарушенной инверсии и вращательной симметрии в псевдощели резко сужает набор возможностей самоорганизации электронов в этой фазе», — говорит Се. «В некотором смысле эта необычная фаза может оказаться наиболее интересным аспектом этих сверхпроводящих материалов».
Решив одну часть головоломки, исследователи переходят к следующему. Они хотят знать, какую роль это упорядочение электронов в псевдощели играет в возникновении высокотемпературной сверхпроводимости — и как сделать это при еще более высоких температурах.