50 лет назад все известные сверхпроводники были металлами. Это имело смысл, потому что металлы имеют наибольшее количество слабосвязанных «несущих» электронов, которые могут свободно соединяться и течь как электрический ток без сопротивления и со 100-процентной эффективностью — отличительной чертой сверхпроводимости.
Затем появился странный материал — титанат стронция, первый оксидный материал и первый полупроводник, который оказался сверхпроводящим. Несмотря на то, что он не соответствует классическому профилю сверхпроводника — он имеет очень мало свободных электронов, он становится сверхпроводящим, когда создаются правильные условия, хотя никто не мог объяснить, почему.
Теперь ученые впервые подробно исследовали сверхпроводящее поведение его электронов. Они обнаружили, что оно еще более странно, чем они думали. Тем не менее, это хорошая новость, потому что дает возможность для размышлений о так называемой «высокотемпературной» сверхпроводимости, феномена, который можно использовать для будущего поколения совершенно эффективных линий электропередач, левитирующих поездов и других революционных технологий.
Исследовательская группа, возглавляемая учеными Национальной лаборатории ускорителей SLAC Национального университета и Стэнфордского университета, описала свое исследование в статье, опубликованной в «Трудах Национальной академии наук».
«Если обычные металлические сверхпроводники находятся на одном конце спектра, титанат стронция находится на другом, он имеет самую низкую плотность доступных электронов любого сверхпроводника, о котором мы знаем», — сказал Адриан Шварц, исследователь из Стэнфордского института материалов и энергетики (SIMES), который возглавлял экспериментальную часть исследования вместе с Хисаши Иноуэ.
«Это один из большого количества материалов, которые мы называем «нетрадиционными» сверхпроводниками, потому что они не могут быть объяснены современными теориями», — сказал Шварц. «Изучая его экстремальное поведение, мы надеемся получить представление об ингредиентах, которые приводят к сверхпроводимости в этих нетрадиционных материалах, включая те, которые работают при более высоких температурах.»
Изображение: ViktorCap/iStock
Теории дуэлей
Согласно общепринятой теории, известной как BCS по инициалам ее создателей, обычная сверхпроводимость вызвана естественными вибрациями, которые пульсируют через атомную решетку материала. Вибрации приводят к тому, что электроны-носители соединяются и конденсируются в сверхтекучую жидкость, которая протекает через материал без сопротивления — 100-процентный электрический ток. В этом случае идеальный сверхпроводящий материал содержит высокую плотность быстродвижущихся электронов, и даже достаточно слабые колебания решетки достаточны для склеивания электронных пар вместе.
Но за пределами теории, в области нетрадиционных сверхпроводников, никто не знает, что склеивает электронные пары вместе, и ни одна из конкурирующих теорий не имеет влияния.
Чтобы найти подсказки о том, что происходит внутри титаната стронция, ученые должны были выяснить, как применить к этому материалу важный инструмент для изучения сверхпроводящего поведения, известного как туннельная спектроскопия. Это заняло несколько лет, сказал Гарольд Хван, профессор SLAC, Стэнфорда и исследователь SIMES.
«Желание провести этот эксперимент существует уже несколько десятилетий, но это был сложный технический вызов», — сказал он. «Это, насколько я знаю, первый полный набор данных, выходящих из эксперимента по туннелированию на этом материале». Среди прочего, команда смогла наблюдать, как материал реагирует на допинг, обычно используемый процесс, когда электроны добавляются к материалу для улучшения его электронных характеристик.
«Все вверх ногами»
Измерения туннелирования показали, что титанат стронция является полностью противоположным тому, что вы ожидаете от сверхпроводника: его колебания в решетке сильны, а его несущие электроны мало и медленны.
«Это система, в которой все перевернуто, — сказал Хван.
С другой стороны, детали, такие как поведение и плотность его электронов и энергия, необходимая для формирования сверхпроводящего состояния, соответствуют тому, что вы ожидаете от обычной теории BCS почти точно, говорит Адриан Шварц.
«Таким образом, титанат стронция, по-видимому, является нетрадиционным сверхпроводником, который в некоторых отношениях действует как обычный», — сказал он. «Это загадка и она довольно неожиданна для нас. Мы обнаружили нечто более запутанное, чем мы изначально думали, и с фундаментальной точки зрения физики более глубокое».
Он добавил: «Если мы сможем улучшить наше понимание сверхпроводимости в этой загадочной обстановке, мы могли бы научиться собирать ингредиенты для реализации сверхпроводимости при более высоких температурах».
Следующим шагом, по словам Шварца, является использование туннельной спектроскопии для проверки ряда теоретических предсказаний о том, почему титанат стронция действует так, как он это делает.
Больше информации: Adrian G. Swartz et al. Polaronic behavior in a weak-coupling superconductor, Proceedings of the National Academy of Sciences (2018). DOI: 10.1073/pnas.1713916115