«Мы пытаемся понять механизм перехода изолятор-сверхпроводник в семействе соединений, называемых купратами. Эти соединения становятся сверхпроводящими при относительно высоких температурах–¬минус 200 градусов по Фаренгейту – по сравнению с большинством сверхпроводящих материалов, которые требуют температуры в пределах нескольких градусов от абсолютного нуля, – сказал Цзе Ву, ведущий автор статьи и физик из отдела физики конденсированных сред и материаловедения Brookhaven Lab. "Характеристика этого механизма может дать представление о том, как мы можем сделать сверхпроводящую температуру еще выше, возможно, даже до комнатной температуры."
Эта возможность позволит передавать электроэнергию гораздо более эффективно. "Представьте себе линию электропередачи, по которой проходит электричество без потерь энергии. Мы могли бы подключить всю планету, что привело бы к экономии триллионов долларов и уменьшению воздействия на окружающую среду », – сказал Ву.
Переход изолятор-сверхпроводник
В естественном состоянии купраты являются изоляторами; они плохо проводят электричество. Но купраты могут стать сверхпроводящими, если они химически «легированы» атомами стронция, которые производят свободно движущиеся электроны, которые образуют пары в кристаллических слоях оксида меди, где, как известно, возникает сверхпроводимость.
Однако при некотором пониженном уровне легирования сверхпроводимость ослабевает и со временем исчезает. Когда температура сверхпроводимости купратов снижается почти до абсолютного нуля, сопротивление несколько увеличивается (характеристика изоляторов), но проводимость остается довольно высокой (характеристика металлов). Природа этого странного "изоляционного" состояния долгие годы была загадкой для ученых.
Для решения загадки требуется метод тонкой настройки уровня легирования для постепенного приближения к квантовой критической точке – точке «перелома», в которой материал находится на пороге перехода из одного состояния электронного порядка в другое, аналогично фазе изменение, которое происходит, когда лед тает в жидкую воду. Также требуется высокочувствительный способ измерения электронных изменений, соответствующих различным уровням легирования.
Один фильм, много образцов
Чтобы детально изучить переход диэлектрик-сверхпроводник, ученые синтезировали пленки из соединения, содержащего лантан, стронций, медь и кислород. Они использовали комбинаторную систему молекулярно-лучевой эпитаксии в Брукхейвене, которая размещает материалы на подложке, атом за атомом, послойно и с строго контролируемой скоростью осаждения.
С помощью фотолитографии, техники переноса геометрического узора на подложку, ученые сформировали узор из монокристаллических пленок в линейную «комбинаторную» библиотеку, содержащую 30 образцов, каждый с немного разным уровнем химического допирования вблизи квантовой критической точки. Для обеспечения электрического контакта, необходимого для измерения удельного сопротивления образцов, они напыляли золотые полоски на поверхность пленок.
«Мы запрограммировали систему на непрерывное и очень точное изменение уровня легирования с шагом в минуту», – сказал Иван Божович, соавтор статьи и старший физик в отделе физики конденсированных сред и материаловедения Брукхейвена.
Затем ученые измерили удельное электрическое сопротивление образцов при различных температурах, магнитных полях и уровнях легирования вблизи квантовой критической точки. Было проведено два типа измерений: одно параллельное электрическому току (продольное сопротивление) и одно перпендикулярное (удельное сопротивление Холла).
«Удельное сопротивление Холла намного более чувствительно, поскольку оно измеряет напряжение в определенном поперечном сечении образца.
Продольное удельное сопротивление составляет среднее значение по всему разрезу ", – сказал Ву. "Наша команда в Брукхейвене первой применила этот более локализованный подход, который может дать нам прямое измерение плотности мобильных электронов."
Основные выводы
При фиксированной низкой температуре уменьшение уровня легирования или увеличение приложенного магнитного поля подавляли сверхпроводимость, позволяя конкурирующему состоянию электронного порядка взять верх.
Резкие флуктуации холловского сопротивления при температуре ниже критической, и эти флуктуации увеличивались по частоте и величине по мере дальнейшего охлаждения всех образцов до абсолютного нуля, что указывает на их квантовое происхождение.
«Поведение этих колебаний противоположно тому, которое наблюдается при колебаниях, вызванных тепловой энергией, таких как пузырьки пара, которые появляются при кипячении воды», – сказал Ву. "Пузырьки исчезают при понижении температуры."
Сравнение холловских измерений удельного сопротивления во всем диапазоне испытанных магнитных полей показало, что образцы обладают «памятью» о своих предыдущих электронных состояниях. После приложения магнитного поля значение и знак холловского сопротивления изменились.
Когда магнитное поле было удалено, образцы оставались в той же электронной конфигурации, пока поле не было повторно приложено – очень необычное свойство для проводников.
Данные ученых показывают, что при температурах, близких к абсолютному нулю, сверхпроводящее состояние конкурирует с другим состоянием электронного порядка, характеризующимся случайным распределением множества небольших зарядовых «кластеров» или локализованных групп электронов. В отличие от свободно текущих электронов в металлах и сверхпроводниках, электроны в этих кластерах локализованы и прикреплены к определенным атомам, что делает их неподвижными и неспособными проводить ток при приложении электрического поля. Кластеры могут прыгать и обмениваться местами в решетке в результате квантовых флуктуаций.
«Эта картина объясняет слабую проводимость этого странного« изолирующего »состояния, показывая, что это состояние возникает из-за локализации зарядов», – сказал Ву. "Наш вывод основан на нашем понимании перехода изолятор-сверхпроводник в важном классе высокотемпературных сверхпроводников. Мы на один шаг ближе к нашей цели по прогнозированию и разработке новых сверхпроводящих материалов с превосходными свойствами для применения в энергетике."