Сейчас ученые изучают высокотемпературные сверхпроводники в U.S. Брукхейвенская национальная лаборатория Министерства энергетики располагает убедительными доказательствами существования состояния вещества, известного как волна парной плотности, – впервые предсказанного теоретиками около 50 лет назад. Их результаты, опубликованные в журнале Nature, показывают, что эта фаза сосуществует со сверхпроводимостью в хорошо известном сверхпроводнике на основе оксида меди на основе висмута.
«Это первое прямое спектроскопическое свидетельство того, что волна парной плотности существует при нулевом магнитном поле», – сказал Казухиро Фуджита, физик, руководивший исследованием в Brookhaven Lab. "Мы определили, что волна парной плотности играет важную роль в этом материале. Наши результаты показывают, что эти два состояния вещества – волна парной плотности и сверхпроводимость – сосуществуют и взаимодействуют."
Результаты команды получены в результате измерений туннельных спектров одиночных электронов с использованием современного сканирующего туннельного микроскопа со спектроскопической визуализацией (SI-STM) в лаборатории OASIS в Брукхейвене.
«Мы измеряем, сколько электронов в данном месте« туннелируют »от поверхности образца к наконечнику сверхпроводящего электрода SI-STM и наоборот, когда мы изменяем энергию (напряжение) между образцом и наконечником», – сказал Фуджита. "С помощью этих измерений мы можем отобразить кристаллическую решетку и плотность электронных состояний, а также количество электронов, которые у нас есть в данном месте."
Когда материал не является сверхпроводящим, электроны существуют в непрерывном спектре энергий, каждый из которых распространяется на своей уникальной длине волны.
Но когда температура понижается, электроны начинают взаимодействовать – спариваться, когда материал переходит в сверхпроводящее состояние. Когда это происходит, ученые наблюдают разрыв в энергетическом спектре, создаваемый отсутствием электронов в этом конкретном диапазоне энергий.
«Энергия зазора равна энергии, необходимой для разрыва электронных пар (что говорит о том, насколько сильно они были связаны)», – сказал Фудзита.
Когда ученые сканировали поверхность материала, они обнаружили пространственно модулирующие структуры с запрещенной зоной. Эти модуляции в запрещенной зоне показали, что сила связи электронов варьируется – увеличивается до максимума, а затем падает до минимума – при этом этот образец повторяется каждые восемь атомов на поверхности упорядоченной кристаллической решетки.
Эта работа основана на предыдущих измерениях, показывающих, что ток, создаваемый парами электронов, туннелирующих в микроскоп, также изменялся таким же периодическим образом. Эти модуляции тока были первым, хотя и в некоторой степени косвенным, свидетельством наличия волны парной плотности.
"Модуляции тока спаренных электронов – это показатель того, что существуют модуляции того, насколько сильно спарены электроны на поверхности. Но на этот раз, измерив энергетический спектр отдельных электронов, нам удалось напрямую измерить модулирующую щель в спектрах, где происходит спаривание.
Модуляции в размере этих зазоров являются прямым спектроскопическим доказательством существования состояния парной волны плотности », – сказал Фуджита.
Новые результаты также включали доказательства других ключевых характеристик волны парной плотности, включая дефекты, называемые «полувихри», а также ее взаимодействия со сверхпроводящей фазой.
Кроме того, модуляция запрещенной зоны отражает результаты других исследований Брукхейвенской лаборатории, указывающие на существование модулирующих структур электронных и магнитных характеристик – иногда называемых «полосами» – которые также возникают с периодичностью восемь элементарных ячеек в некоторых высокотемпературных средах. купратные сверхпроводники.
«Вместе эти результаты показывают, что волна парной плотности играет важную роль в сверхпроводящих свойствах этих материалов.
Понимание этого состояния может помочь нам разобраться в сложной фазовой диаграмме, которая показывает, как сверхпроводящие свойства проявляются в различных условиях, включая температуру, магнитное поле и плотность носителей заряда », – сказал Фуджита.