«Измерения сильного магнитного поля в сверхпроводниках из легированного оксида меди прокладывают путь к новой теории сверхпроводимости», — сказал Брэд Рамшоу, ученый из Лос-Аламоса и ведущий исследователь проекта. Используя рекордно высокие магнитные поля, доступные в лаборатории импульсного поля Национальной лаборатории сильного магнитного поля (NHMFL) в Лос-Аламосе, Рамшоу и его коллеги раздвигают границы того, как вещество может проводить электричество без сопротивления, которое поражает обычные материалы, несущие электрический ток.
Конечной целью исследования было бы создание сверхпроводника, который работал бы при комнатной температуре и вообще не нуждался бы в охлаждении. На этом этапе все устройства, в которых используются сверхпроводники, такие как магниты для магнитно-резонансной томографии, используемые в больницах, необходимо охлаждать до температур намного ниже нуля с помощью жидкого азота или гелия, что увеличивает стоимость и сложность предприятия.«Это действительно знаменательный эксперимент, который освещает проблему, имеющую центральное значение для физики конденсированного состояния», — сказал директор MagLab Грегори Бобингер, который также является главным научным сотрудником отдела науки о конденсированных средах в штаб-квартире Национальной лаборатории сильного магнитного поля во Флориде. «Успех этой типичной работы MagLab зависел от наличия лучших образцов, высочайших магнитных полей, наиболее чувствительных методов и вдохновенного творческого потенциала исследовательской группы из нескольких учреждений».
Высокотемпературные сверхпроводники были процветающей областью исследований в течение почти 30 лет не только потому, что они могут проводить электричество без потерь — на сто градусов выше, чем любой другой материал, — но также потому, что они представляют собой очень сложный и интересный «коррелированный» -электронная физика проблема сама по себе.Теория традиционных низкотемпературных сверхпроводников была построена Бардином, Купером и Шриффером в 1957 году, что принесло им Нобелевскую премию; эта теория (известная как теория БКШ) оказала далеко идущее влияние, заложив основу механизма Хиггса в физике элементарных частиц, и представляет собой один из величайших триумфов физики 20-го века.
С другой стороны, высокотемпературные сверхпроводники, такие как оксид иттрия-бария-меди (YBa2Cu3O6 + x), не могут быть объяснены с помощью теории БКШ, и поэтому исследователям нужна новая теория для этих материалов. Один особенно интересный аспект высокотемпературных сверхпроводников, таких как YBa2Cu3O6 + x, заключается в том, что можно изменить температуру сверхпроводящего перехода (Tc, когда материал становится идеально проводящим), «допируя» его: изменяя количество электронов, участвующих в сверхпроводимость.Исследование, проведенное группой из Лос-Аламоса на 100-Тл магните, показало, что если допировать YBa2Cu3O6 + x до точки, где Tc является самым высоким («оптимальное допирование»), электроны становятся очень тяжелыми и перемещаются коррелированным образом.«Это говорит нам о том, что электроны очень сильно взаимодействуют, когда материал является оптимальным сверхпроводником», — сказал Рамшоу. «Это жизненно важная информация для построения следующей теории сверхпроводимости».
"Неурегулированной проблемой в области сверхпроводимости с высокой температурой перехода (High-Tc) был вопрос о том, является ли квантовая критическая точка — особое значение допирования, при котором квантовые флуктуации приводят к сильным электрон-электронным взаимодействиям — движущей силой удивительно высокие Tc в этих материалах », — сказал он.Доказательства его существования ранее не были найдены из-за устойчивой природы сверхпроводимости в материалах из оксида меди, но если ученые смогут показать, что существует квантовая критическая точка, это станет важной вехой на пути к разрешению механизма сверхпроводящего спаривания, Рамшоу. объяснил.«Сборка частей этой сложной головоломки сверхпроводимости — непростая задача, в которой на протяжении десятилетий участвовали ученые со всего мира», — сказал Чарльз Х. Мильке, директор лаборатории NHMFL-Pulsed Field Facility в Лос-Аламосе. «Хотя головоломка еще не решена, эта важная часть связывает неоспоримые экспериментальные результаты с фундаментальной физикой конденсированного состояния — связь стала возможной благодаря исключительной команде, сильной поддержке партнеров и непревзойденным возможностям».В статье, опубликованной на этой неделе в журнале Science, команда решает эту давнюю проблему, измеряя магнитные квантовые осцилляции как функцию дырочного допирования в очень сильных магнитных полях, превышающих 90 тесла.
Сильные магнитные поля, такие как поле с мировым рекордом, доступное на площадке NHMFL в Лос-Аламосе, позволяют получить доступ к нормальному металлическому состоянию за счет подавления сверхпроводимости. В частности, поля, приближающиеся к 100 тесла, позволяют измерять квантовые осцилляции очень близко к максимуму температуры перехода Tc ~ 94 кельвина. Эти квантовые колебания дают ученым представление о том, как электроны взаимодействуют друг с другом, прежде чем они станут сверхпроводящими.
Получив доступ к очень широкому диапазону легирования, авторы показывают, что при оптимальном легировании наблюдается сильное увеличение эффективной массы. Сильное увеличение эффективной массы — признак увеличения силы взаимодействия электронов и признак квантовой критической точки.
Нарушенная симметрия, ответственная за этот момент, еще предстоит определить, хотя связь с упорядочением зарядов представляется вероятной, отмечает Рэмшоу.