Квантовый парадокс: как беспорядок рождает сверхпроводимость?

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com
| Мнение | Наука и космос

Высокотемпературная сверхпроводимость — это своеобразный «святой Грааль» современной физики, обещающий революционные технологические прорывы. Представьте мир, где линии электропередач лишены потерь энергии, где поезда парят над магнитными рельсами, а вычислительные мощности возрастают многократно.

В погоне за этой мечтой ученые исследуют необычный мир квантовых материалов, где привычные законы физики уступают место странным и не всегда понятным явлениям. Одним из таких материалов являются купраты — сложные соединения на основе меди, демонстрирующие сверхпроводимость при относительно высоких температурах (по сравнению с классическими сверхпроводниками).

В чем же кроется секрет их необычных свойств? Ключ к разгадке лежит в сложном взаимодействии трех квантовых феноменов: сверхпроводимости, спинового порядка и зарядового порядка.

Сверхпроводимость, иллюстрация
Сверхпроводимость, иллюстрация
Автор: ИИ Copilot Designer//DALL·E 3 Источник: www.bing.com

Сверхпроводимость — это способность материала проводить электрический ток без сопротивления. Она возникает благодаря тому, что электроны, обычно отталкивающиеся друг от друга, образуют связанные пары (так называемые куперовские пары), которые могут свободно перемещаться по кристаллу, не испытывая сопротивления со стороны атомов.

Спиновый и зарядовый порядки отражают тенденцию электронов к самоорганизации. Спиновый порядок проявляется в том, что магнитные моменты электронов, спины, выстраиваются в определенном порядке, подобно стрелкам компаса, указывающим в одном направлении. Зарядовый порядок характеризуется периодическим распределением электронной плотности, формирующим в материале области с избытком и недостатком электронов.

a Карта интенсивности CDW, измеренная при 6,5 К, 0 Т, спроецированная на плоскость hl, интегрированная по k [-0,02,0,02] об.ед. Пунктирный черный прямоугольник окружает пик CDW. b Температурно-зависимые h-срезы через пик CDW. Сплошные линии представляют собой однопиковые подгонки к данным. Линейный фон был вычтен, а данные сдвинуты для наглядности. Горизонтальная полоса обозначает инструментальное разрешение. c Интегральная интенсивность CDW, полученная из однопиковых подгонок. На вставке показана соответствующая ширина пика. Оранжевая пунктирная линия представляет собой линейную экстраполяцию интенсивностей CDW при 28 K, 32 K и 36 K на более низкие температуры T < Tc, как описано в основном тексте. Открытый круг показывает интенсивность CDW, измеренную при 6,5 К, 24 Т. Планки ошибок представляют собой одно стандартное отклонение.
a Карта интенсивности CDW, измеренная при 6,5 К, 0 Т, спроецированная на плоскость hl, интегрированная по k [-0,02,0,02] об.ед. Пунктирный черный прямоугольник окружает пик CDW. b Температурно-зависимые h-срезы через пик CDW. Сплошные линии представляют собой однопиковые подгонки к данным. Линейный фон был вычтен, а данные сдвинуты для наглядности. Горизонтальная полоса обозначает инструментальное разрешение. c Интегральная интенсивность CDW, полученная из однопиковых подгонок. На вставке показана соответствующая ширина пика. Оранжевая пунктирная линия представляет собой линейную экстраполяцию интенсивностей CDW при 28 K, 32 K и 36 K на более низкие температуры T < Tc, как описано в основном тексте. Открытый круг показывает интенсивность CDW, измеренную при 6,5 К, 24 Т. Планки ошибок представляют собой одно стандартное отклонение.
Автор: Wen, JJ., He, W., Jang, H. et al. Enhanced charge density wave with mobile superconducting vortices in La1.885Sr0.115CuO4. Nat Commun14, 733 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-36203-x CC-BY 4.0 Источник: www.nature.com

Долгое время считалось, что спиновый и зарядовый порядки являются антагонистами сверхпроводимости, подавляя образование куперовских пар. Однако недавние исследования показали, что взаимодействие этих явлений гораздо сложнее и многограннее.

Ученым удалось обнаружить, что в купратах может существовать короткодействующий зарядовый порядок, который не только не подавляет сверхпроводимость, но и, возможно, даже способствует ее возникновению. Этот короткодействующий порядок проявляется в виде флуктуаций электронной плотности, которые могут способствовать образованию и движению вихрей — топологических дефектов, играющих важную роль в механизме высокотемпературной сверхпроводимости.

a Карта интенсивности CDW, измеренная при 6,5 К, 24 Т, спроецированная на плоскость hl. b Зависимые от магнитного поля h-срезы через пик CDW. Сплошные линии представляют собой одногауссовы подгонки к данным. Линейный фон был вычтен, а данные сдвинуты для наглядности. Горизонтальная полоса обозначает инструментальное разрешение. c Интегральная интенсивность CDW как функция магнитного поля. Здесь показана проекция магнитного поля, перпендикулярная плоскости CuO2 H⊥. Вертикальной пунктирной линией отмечено поле вихревого плавления Hm для LSCO при T ~ 6,5 K, определенное по измерениям сопротивления в плоскости41. Красные ромбики - это интенсивности SDW в зависимости от поля, измеренные нейтронным методом для LSCO14, масштабированные таким образом, чтобы вывести индуцированное магнитным полем усиление CDW-полос, как описано в основном тексте. Красная пунктирная линия и красная штриховка являются ориентирами для глаза. Планки ошибок представляют собой одно стандартное отклонение.
a Карта интенсивности CDW, измеренная при 6,5 К, 24 Т, спроецированная на плоскость hl. b Зависимые от магнитного поля h-срезы через пик CDW. Сплошные линии представляют собой одногауссовы подгонки к данным. Линейный фон был вычтен, а данные сдвинуты для наглядности. Горизонтальная полоса обозначает инструментальное разрешение. c Интегральная интенсивность CDW как функция магнитного поля. Здесь показана проекция магнитного поля, перпендикулярная плоскости CuO2 H⊥. Вертикальной пунктирной линией отмечено поле вихревого плавления Hm для LSCO при T ~ 6,5 K, определенное по измерениям сопротивления в плоскости41. Красные ромбики — это интенсивности SDW в зависимости от поля, измеренные нейтронным методом для LSCO14, масштабированные таким образом, чтобы вывести индуцированное магнитным полем усиление CDW-полос, как описано в основном тексте. Красная пунктирная линия и красная штриховка являются ориентирами для глаза. Планки ошибок представляют собой одно стандартное отклонение.
Автор: Wen, JJ., He, W., Jang, H. et al. Enhanced charge density wave with mobile superconducting vortices in La1.885Sr0.115CuO4. Nat Commun14, 733 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-36203-x CC-BY 4.0 Источник: www.nature.com

Это открытие открывает новые перспективы в понимании природы высокотемпературной сверхпроводимости и создании новых материалов с уникальными свойствами. Квантовый танец электронов в купратах оказывается гораздо сложнее и интереснее, чем представлялось ранее, и его дальнейшее изучение сулит нам еще немало удивительных открытий.

0 комментариев

Добавить комментарий

Сейчас на главной

Новости

Публикации

Запрещенный фотон против Эйнштейна: частица света прошла сквозь Вселенную вопреки законам физики

Девятого октября 2022 года астрономические обсерватории зарегистрировали исключительно мощный всплеск гамма-излучения, получивший обозначение GRB 221009A. Источником излучения стал гравитационный...

«Электроника-311-стерео» (1977): переносной кассетник играл сразу на четыре колонки

В середине 1970‑х советский переносной кассетник оставался по сути монофоническим устройством, даже если мог выводить стереосигнал на внешние акустические системы. «Электроника‑311‑стерео»,...

Нырок в один конец: почему Колодец Иакова забирает жизни и манит дайверов

Дайвинг хобби опасное: человек погружается под толщи воды с ограниченным запасом воздуха, и никто не может гарантировать, что он сумеет всплыть даже в самых прозрачных и испытанных сотнями дайверов...

Патерностер — лифт без дверей и остановок: почему его запретил почти весь мир

В конце XIX века первые городские лифты двигались настолько медленно, что чиновники в министерствах предпочитали подниматься на верхние этажи пешком. Гидравлические и паровые подъемники требовали...

Почему яблоко выглядит совершенно здоровым, а после разрезания возле сердцевины оказывается бурым

С яблоками бывает неприятный сюрприз: плод снаружи выглядит почти идеально — кожица гладкая, пятен нет, мякоть под пальцами плотная. Но стоит разрезать его пополам, и возле семенной...

Почему в Исландии долго не было комаров и как они всё-таки там появились?

Летом в Исландии можно увидеть водопады, ледники и огромные скопления птиц. А вот привычного комариного писка возле палатки здесь долгое время не слышали. Отсутствие комаров стало такой же...