Высокотемпературная сверхпроводимость остается загадкой для современной физики, поскольку материалы демонстрируют нулевое электрическое сопротивление только при низких температурах. Открытие материала, который является сверхпроводящим при комнатной температуре, может привести к новаторским технологическим достижениям.
Ученые из TU Wien достигли прогресса в понимании купратов, увлекательного класса высокотемпературных сверхпроводников. Они обнаружили, что при определенных условиях электроны в этих материалах могут двигаться только в определенных направлениях, представленных как «дуги Ферми». Это явление можно визуализировать, используя лазерный свет для выталкивания электронов из материала.
Группа ученых из Института физики твердого тела Венского технического университета разработала теоретические и численные модели, объясняющие этот эффект, связывая его с магнитными взаимодействиями между электронами разных атомов.
Хотя объяснения сверхпроводимости существуют уже десятилетиями, включая теорию БКШ (Теория Бардина — Купера — Шриффера) для металлов, получившую Нобелевскую премию 1972 года, эта теория не применима к высокотемпературным сверхпроводникам, таким как купраты, которые представляют собой содержащие медь соединения, известные своими уникальными свойствами. Ученые отметили, что купраты демонстрируют несколько необъяснимых явлений, включая образование «дуг Ферми».
Добавляя дополнительные электроны к этим высокотемпературным сверхпроводникам и измеряя их движение, исследователи обнаружили, что электроны могут двигаться только в определенных направлениях, представленных дугами Ферми, которые резко обрываются в определенных точках. Такое поведение необычно и не может быть объяснено обычными теоретическими моделями, что подчеркивает необходимость новых подходов к пониманию сверхпроводимости в этих материалах.
Команда TU Wien, состоящая из Пола Ворма, Маттиаса Райтнера, Карстена Хельда и Алессандро Тоски, успешно объяснила необычное поведение дуг Ферми в высокотемпературных сверхпроводниках. Они достигли этого, разработав сложные компьютерные симуляции вместе с аналитической моделью, которая упрощает явление до простой формулы. Это достижение улучшает понимание того, как ведут себя эти материалы, и может привести к дальнейшему пониманию высокотемпературной сверхпроводимости.
«Ключ к эффекту — антиферромагнитное взаимодействие. В купратах, которые мы смоделировали, это антиферромагнитное взаимодействие с большим радиусом действия», — говорят исследователи. «Поэтому магнитные моменты электронов на разных атомах выстраиваются на больших расстояниях таким образом, что магнитная ориентация электронов всегда чередуется между одним направлением и другим — подобно шахматной доске, где каждое поле окрашено иначе, чем его непосредственные соседи».
«Впервые мы смогли представить теоретическую модель резкого окончания дуг Ферми и объяснить, почему движение электронов в таких материалах возможно только в определенных направлениях. Этот прогресс не только помогает нам лучше понять некоторые неразгаданные тайны высокотемпературных сверхпроводников, но и может продвинуть будущие исследования материалов с похожими нетрадиционными свойствами».