В двух дополнительных исследованиях физики установили, что сверхпроводимость в купратах коллапсирует максимум до минус 135 градусов Цельсия из-за образования волн зарядовой плотности. Эти периодические колебания в распределении электрических зарядов разрушают сверхпроводимость. Следовательно, чтобы найти сверхпроводники, сопротивление которых падает до нуля при реальных температурах, материаловеды должны искать вещества, которые не подвержены волнам зарядовой плотности.
Почти два процента электроэнергии, вырабатываемой электростанциями, теряется в сети. В одной только Германии это эквивалентно мощности, вырабатываемой угольной электростанцией среднего размера.
Эти потери могут возрасти в будущем, поскольку энергия от крупных оффшорных ветряных электростанций будет транспортироваться на юг, не имеющий выхода к морю. Сверхпроводники могли бы стать лекарством, если бы они могли доставлять электроэнергию потребителям без потерь или утечек даже при летних температурах. Однако, чтобы систематически искать такие материалы, физики должны сначала получить точное представление о том, почему лучшие современные сверхпроводники в первую очередь теряют сопротивление и как можно повысить температуру, при которой это происходит, — загадка, над которой работают исследователи. около 30 лет. Постепенно картина начинает вырисовываться.
Два исследования, проведенные международной группой с участием Института Макса Планка по исследованию твердого тела, а также университетов Принстона и Британской Колумбии и Центра им. Гельмгольца в Берлине, внесли еще несколько кусочков в эту головоломку.
«Мы обнаружили волны зарядовой плотности в купратах выше температур, при которых они становятся сверхпроводящими», — говорит Бернхард Кеймер. «Как и сверхпроводимость, они вызваны сильным взаимодействием между электронами». Директор Института исследования твердого тела им. Макса Планка в Штутгарте принимал непосредственное участие в одном из двух исследований и в качестве консультанта — в другом.Соревнование за государства решается на волосок
Физикам давно известно, что сверхпроводимость может возникнуть только при наличии сильного взаимодействия между электронами. Дело в том, что силы, которые, как предполагают современные исследования, являются магнитными силами, связывают электроны вместе, образуя куперовские пары, и они бесконтрольно проходят через кристаллическую решетку. В течение многих лет исследователи также знали, что сильное взаимодействие может вызывать другие электронные явления, такие как магнетизм или даже волны зарядовой плотности, которые полностью несовместимы со сверхпроводимостью.«Эти разные государства конкурируют друг с другом в материалах», — объясняет Кеймер. «И какой из них выиграет, часто решает всего лишь волосок».
Это означает, что то, является ли материал сверхпроводящим или нет, в очень большой степени зависит от его элементарного состава и его структуры, в то время как случай также влияет на это действие. Тем не менее, текущие исследования дают ученым больше информации о том, когда и при каких обстоятельствах возникает сверхпроводимость. «Мы приближаемся к цели предсказания этого состояния и разработки материалов, которые будут сверхпроводниками даже при высоких температурах», — говорит физик.Международная команда в настоящее время способствует лучшему пониманию сверхпроводимости с помощью экспериментов с двумя материалами, которые содержат характерные компоненты оксида меди и висмута и названы Bi2201 и Bi2212 в соответствии с различными пропорциями элементов, которые они содержат. Ученые изучили один образец каждого материала разными методами.
Совместно с рабочей группой из Helmholtz-Zentrum Berlin исследователи Макса Планка из Штутгарта проверили оба материала с помощью резонансного рассеяния рентгеновских лучей, используя BESSY, синхротрон Гельмгольца. Эти эксперименты выявили детали распределения заряда внутри материалов. Затем один из участвующих ученых отправился в Принстонский университет, неся герметично закрытый материал в чемодане. Там партнеры по проекту отсканировали образец с помощью растрового туннельного микроскопа, который регистрирует распределение заряда на поверхности.
Физики из Университета Британской Колумбии также исследовали образец Bi2201 с помощью фотоэмиссионной спектроскопии с угловым разрешением, которая выявила дополнительные детали электронной структуры на поверхности материала.Волны зарядовой плотности возникают во всех купратных сверхпроводниках.
Используя дополнительные исследования, ученые продемонстрировали для обоих образцов, что зарядовые волны возникают в разных купратах висмута, и что они возникают по всему материалу, а не только на поверхности. «Поскольку мы уже обнаружили волны зарядовой плотности в другом купратном сверхпроводнике, мы можем предположить, что они возникают во всех купратных сверхпроводниках и разрушают сверхпроводимость», — утверждает Бернхард Кеймер.Одно из двух исследований позволило ученым решить другую часть загадки высокотемпературной сверхпроводимости, что позволило им объяснить аномалии в зонной структуре этих материалов. Зонная структура является своего рода генеральным планом электронного поведения материала, и ее можно прочитать, чтобы определить, является ли материал металлическим проводником, изолятором или полупроводником.
Он отражает, являются ли электроны прочно связанными, могут ли они свободно перемещаться через материал или им требуется повышение энергии, чтобы преодолеть запрещенную зону и свободно перемещаться.Цель: точный контроль сильных электронных сил.Зонная структура сверхпроводников содержит псевдощели, названные так потому, что, в отличие от зазоров в изоляторах, эти зазоры являются неполными и даже не существуют для электронов с определенными скоростями. Однако для многих электронов псевдощель означает, что заряженная частица больше не может беспрепятственно перемещаться через материал. «Теперь мы обнаружили, что причина псевдощели кроется в волнах зарядовой плотности», — объясняет Бернхард Кеймер.
Это легко понять, потому что, когда электроны принимают фиксированный порядок, они теряют свою подвижность. «Итак, в конечном итоге псевдощели также можно проследить до сильных взаимодействий между электронами», — добавляет Кеймер.Таким образом, в будущем усилия будут сосредоточены на точном контроле сильных взаимодействий между электронами.
Только это позволит физикам и материаловедам направить силы таким образом, чтобы они связывали куперовские пары даже при температуре окружающей среды и не генерировали волны зарядовой плотности. «Если мы сможем это сделать, мы внесем важный вклад в энергоснабжение будущего», — говорит Бернхард Кеймер.