Теперь ученые из Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) и Йельского университета обнаружили новое удивительное поведение электронов в ВТСП-материале. Результаты, опубликованные 27 июля в журнале Nature, описывают нарушающий симметрию поток электронов через сверхпроводники на основе оксида меди (купрата). Такое поведение может быть связано с неуловимым механизмом, стоящим за HTS.
«Наше открытие бросает вызов краеугольному камню физики конденсированного состояния», — сказал ведущий автор и физик Брукхейвенской лаборатории Цзе Ву. «Эти электроны, кажется, спонтанно« выбирают »свои собственные пути в материале — феномен, прямо противоположный ожиданиям».Внедорожные электроны
В простых металлах электроны движутся равномерно и без предпочтений по направлению — представьте жидкость, растекающуюся по поверхности. ВТСП-материалы в этом исследовании имеют слоистую структуру с четырехкратной вращательной симметрией кристаллической структуры. Ожидается, что электрический ток будет течь равномерно параллельно этим слоям — но это не то, что наблюдала группа Брукхейвен.«Я с Среднего Запада, где километры сельскохозяйственных угодий разделяют города», — сказал физик из Брукхейвена и соавтор исследования Энтони Боллинджер. «Проселочные дороги между городами в основном проложены как сетка, идущая с севера на юг и с востока на запад.
Вы ожидаете, что автомобили будут следовать за сеткой, которая создана специально для них. Это нарушение симметрии выглядит так, как если бы все решили покинуть асфальтированные дороги и ехать прямо через поля фермеров ».
В другом повороте напряжение нарушения симметрии сохранялось до комнатной температуры и во всем диапазоне химических составов, исследованных учеными.«Электроны каким-то образом координируют свое движение через материал даже после отказа сверхпроводимости», — сказал Ву.
Сильные электрон-электронные взаимодействия могут помочь объяснить преимущественное направление тока. В свою очередь, эти внутренние электронные причуды могут иметь общую связь с явлениями HTS и предлагать намек на расшифровку его неизвестного механизма.
В поисках атомного совершенстваВ отличие от хорошо изученной классической сверхпроводимости, ВТСП озадачивает ученых более трех десятилетий. Теперь передовые методы предлагают беспрецедентное понимание.«Самой сложной частью всей работы — и тем, что помогает нам отличаться — был скрупулезный синтез материала», — сказал соавтор исследования Си Хэ.
Эта работа была частью более крупного проекта, который длился 12 лет и включал синтез и исследование более 2000 пленок сверхпроводников на основе оксида лантана-стронция-меди.«Такой масштаб исследований хорошо подходит для национальной лабораторной среды», — сказал Иван Божович, возглавляющий группу Brookhaven, стоящую за этой работой.Они используют метод, называемый молекулярно-лучевой эпитаксией (МБЭ), для сборки сложных оксидов по одному атомному слою за раз.
Чтобы обеспечить структурное совершенство, ученые характеризуют материалы в реальном времени с помощью дифракции электронов, когда электронный луч попадает на образец, а чувствительные детекторы точно измеряют, как он рассеивается.«Сам материал является нашей основой, и он должен быть как можно более безупречным, чтобы гарантировать, что наблюдаемые свойства являются внутренними», — сказал Божович. «Более того, благодаря нашему« цифровому »синтезу мы проектируем пленки на уровне атомных слоев и оптимизируем их для различных исследований».Плавание против теченияПервый крупный результат этого всеобъемлющего исследования, проведенного группой MBE в Брукхейвене, был опубликован в журнале Nature в прошлом году.
Он продемонстрировал, что сверхпроводящее состояние в материалах из оксида меди довольно необычно, бросая вызов стандартному пониманию.Это открытие предполагает, что так называемое «нормальное» металлическое состояние, которое формируется выше критического температурного порога, при котором нарушается сверхпроводимость, также может быть необычным.
Внимательно присмотревшись, ученые заметили, что при протекании внешнего тока через образцы неожиданно возникло спонтанное напряжение, перпендикулярное этому току.«Мы впервые наблюдали это странное напряжение более десяти лет назад, но мы и другие учли это как некую ошибку», — сказал Боллинджер. «Но затем это обнаруживалось снова, и снова, и снова — во все более контролируемых условиях — и у нас не было способов объяснить это. Когда мы, наконец, погрузились в дело, результаты превзошли наши ожидания».
Чтобы установить причину этого явления, ученые изготовили и измерили тысячи устройств, сделанных из пленок ВТСП. Они изучили, как это спонтанное напряжение зависит от направления тока, температуры и химического состава (уровня легирования стронцием, который контролирует концентрацию электронов). Они также изменили тип и кристаллическую структуру подложек, на которых выращиваются ВТСП-пленки, и даже способ полировки подложек.
Эти тщательные исследования без сомнения показали, что этот эффект присущ самому ВТСП материала и его происхождение чисто электронное.На молекулярном уровне обычные жидкости выглядят одинаково во всех направлениях. Однако некоторые из них состоят из стержневидных молекул, которые имеют тенденцию выстраиваться в одном предпочтительном направлении.
Такие материалы называются жидкими кристаллами — они поляризуют свет и широко используются в дисплеях. В то время как электроны в обычных металлах ведут себя как жидкость, в купратах они ведут себя как электронный жидкий кристалл.
«Нам нужно понять, как такое поведение электрона вписывается в загадку ВТСП в целом», — сказал он. «Это исследование дает нам новые идеи и способы решения того, что может быть самой большой загадкой в физике конденсированного состояния. Я очень рад видеть, к чему это приведет нас».