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

Обзор GIGABYTE GAMING A16 3TH: игровой ноутбук с Ryzen 7 260 и GeForce RTX 5050

Игровые ноутбуки среднего класса сегодня находятся в довольно интересной точке развития. Производители уже давно перестали соревноваться исключительно в количестве ядер процессора и максимальной...

Грузовик едет «на цыпочках»: зачем фуры поднимают одну из осей

На трассе иногда можно увидеть довольно странную картину, в которой у многотонного грузовика или полуприцепа одна пара колес висит в нескольких сантиметрах над асфальтом и спокойно едет вместе со...

Как приготовить чипсы дома за пару минут: простой способ из готового сырья на примере креветочных чипсов

Чипсы своими руками за 2 минуты: как приготовить креветочные чипсы из готового сырья. Купить готовые чипсы в магазине и сразу открыть пачку — самый простой вариант. Но есть и более...

Как японцы веками добывают идеальные брёвна, не срубая дерево

В японских горах Китаяма неподалёку от Киото уже несколько столетий растут особые кедры, которые выглядят почти нереально. От их мощного основания, похожего на широкую платформу, вверх устремляются...

Эпоха фальшивой графики: почему видеокарты AMD проигрывают Nvidia в гонке ИИ

Эпоха классической компьютерной графики, когда изображение на экране монитора создавалось исключительно посредством растеризации, подходит к своему концу, уступая место нейрорендерингу. На фоне...