«Обнаружение этого нового материала немного похоже на поиск археологом гробницы нового египетского фараона», — сказал Саймон Биллиндж, физик из Брукхейвенской лаборатории и Школы инженерии и прикладных наук Колумбийского университета, возглавлявший исследовательскую группу. «По мере того, как мы пытаемся разгадать тайны нетрадиционной сверхпроводимости, нам необходимо открывать различные, но связанные системы, чтобы дать нам более полную картину происходящего — точно так же, как в новой гробнице найдутся сокровища, которых раньше не было, что дает более полное представление о происходящем. картина древнеегипетского общества."
Использование силы сверхпроводимости или способности определенных материалов проводить электричество с нулевыми потерями энергии — одна из самых захватывающих возможностей для создания более энергоэффективного будущего.
Но поскольку большинство сверхпроводников работают только при очень низких температурах — всего на несколько градусов выше абсолютного нуля или -273 градуса по Цельсию, — они пока что непригодны для повседневной жизни. Открытие в 1980-х годах «высокотемпературных» сверхпроводников, которые работают при более высоких температурах (хотя и не при комнатной температуре), было гигантским шагом вперед, вселявшим ученым надежду на то, что полное понимание того, что позволяет этим материалам передавать ток без потерь, будет помочь им разработать новые материалы для повседневного использования.
Каждое новое открытие общей темы среди этих материалов помогает ученым разгадывать кусочки головоломки.
Одна из величайших загадок — это попытка понять, как электроны в высокотемпературных сверхпроводниках взаимодействуют, иногда пытаясь избежать друг друга, а иногда объединяясь в пары — важнейшая характеристика, позволяющая им проводить ток без сопротивления. Ученые, изучающие эти материалы в Брукхейвене и других местах, обнаружили особые типы электронных состояний, такие как «волны зарядовой плотности», когда заряды сбиваются в кучу, образуя полосы, и схемы заряда в шахматном порядке. Оба они нарушают «трансляционную симметрию» материала — повторение одинаковости при движении по поверхности (e.грамм., перемещаясь по шахматной доске, вы переходите от белых квадратов к черным).
Еще одна закономерность, которую ученые наблюдали в двух самых известных классах высокотемпературных сверхпроводников, — это нарушение вращательной симметрии без изменения трансляционной симметрии. В этом случае, называемом нематическим порядком, каждое пространство на шахматной доске белое, но формы пространств искажены от квадрата к прямоугольнику; когда вы поворачиваетесь на одном месте, соседнее пространство становится ближе или дальше в зависимости от направления, в котором вы смотрите. Наблюдая это неожиданное состояние в купратах и пниктидах железа, ученые стремились увидеть, будет ли этот необычный электронный порядок наблюдаться в новом классе высокотемпературных сверхпроводников на основе оксипниктида титана, обнаруженных в 2013 году.
«Эти титан-оксипниктидные соединения структурно подобны другим экзотическим сверхпроводящим системам, и у них были все явные признаки нарушения симметрии, такие как аномалии в удельном сопротивлении и термодинамических измерениях. Но ни в одном предыдущем измерении не было никаких признаков волны плотности заряда.
Это была загадка ", — сказал Эмиль Бозин, чья группа в Брукхейвене специализируется на поиске скрытых локальных нарушенных симметрий. "Для нас было естественным вскочить на эту проблему."
Команда исследовала эффект нарушенной вращательной симметрии, исследовательский вопрос, который был задан Томо Уэмурой из Колумбии, используя образцы, предоставленные его сотрудниками из группы Хироши Кагеямы из Киотского университета.
Они провели два вида дифракционных исследований: эксперименты по рассеянию нейтронов в Лос-Аламосском центре нейтронных исследований (LANSCE) в Лос-Аламосской национальной лаборатории Министерства энергетики США и эксперименты по дифракции электронов с использованием просвечивающего электронного микроскопа в Брукхейвенской лаборатории.
«Мы использовали эти методы, чтобы наблюдать узор, образованный пучками частиц, пробивающими порошковые образцы сверхпроводников в диапазоне температур и других условиях, чтобы увидеть, есть ли структурные изменения, соответствующие образованию этого особого типа нематического состояния», сказал Бен Франдсен, аспирант кафедры физики Колумбийского университета и первый автор статьи.
Эксперименты выявили явное нарушение симметрии при низких температурах.
Совместные усилия экспериментаторов и теоретиков установили особую нематическую природу порядка.
«Решающим в этом исследовании был тот факт, что мы смогли быстро применить несколько дополнительных экспериментальных методов вместе с важнейшими теоретическими открытиями, что стало проще благодаря наличию большей части опыта в лаборатории Брукхейвена и удивительно тесному сотрудничеству с коллегами в Колумбии и за ее пределами. , "Сказал Биллинге.
Обнаружение нематичности в оксипниктидах титана, а также тот факт, что их структурные и химические свойства перекрывают свойства купратных и железо-пниктидных высокотемпературных сверхпроводников, делают эти материалы важной новой системой, помогающей понять роль нарушения электронной симметрии в сверхпроводимость.
Как заметил Биллиндж: «Гробница нового фараона действительно содержала сокровище: нематичность."
Работа поддержана Министерством энергетики США.S.
Национальный научный фонд (NSF, OISE-0968226), Японское общество содействия науке, Японское агентство по атомной энергии и друзья Todai Inc.