Американські фізики розібралися з поведінкою електронів у так званій псевдощелевій фазі речовини, що передує стану надпровідності.
Надпровідністю називають повне зникнення електричного опору речовини постійному електричному струму при температурі нижче критичної. Величезна практична цінність надпровідників полягає у відсутності в них втрат електричної енергії при протіканні струму. Але на шляху їх широкого використання стоїть дуже низька величина критичної температури. Для більшості речовин вона близька до абсолютного нуля. До 1986 року найвищою температурою володів сплав Nb3Ge, для якого надпровідність наступала при температурі нижче 23 К (-250 °). Тому виникло важливе наукове завдання: знайти речовини, що переходять у надпровідний стан при більш високій температурі, бажано близькій до кімнатної, що отримало назву високотемпáної надпровідності.
У 1986 році були відкриті високотемпáні надпровідники (ВТСД) на базі оксидів міді (купратів), і протягом декількох років критична температура піднялася до приблизно 120 К. Однак ці речовини володіють дуже складною електронною структурою, що надзвичайно ускладнює розуміння того, як в них відбувається перехід до надпровідного стану, без чого неможливо розробка надпровідників, що працюють при більш високих темперарах. Відтоді вже майже 30 років ведуться складні експерименти з вивчення цього питання.
Зокрема, було виявлено, що стану надпровідності у ВТСП передує стан, названий «псевдощолевою фазою». Цей термін пов'язаний з особливістю енергетичного спектру електронів у речовині (так називається дискретний набір дозволених рівнів енергії електронів в атомі). Електрони з низькими значеннями енергії розташовані в валентній зоні, електрони з більшою енергією, здатні переміщатися по речовині, - в зоні провідності. У напівпровідниках і діелектриках валентну зону і зону провідності розділяє інтервал заборонених значень енергії, званий «щілина». Щоб брати участь у створенні струму, електрон повинен отримати енергію, щоб перескочити через щілину з валентної зони в зону провідності. Тому, чим більше ширина щілини, тим сильніші ізолюючі властивості матеріалу.
Щілина утворюється і у надпровідників, але у неї інша природа. При виникненні надпровідності електрони, близькі до рівня Фермі, утворюють так звані куперівські пари і осідають на рівні Фермі, і цей рівень починає відокремлювати щілину від рівнів одиночних електронів. Рівень Фермі визначається критичною температурою.
Виявилося, що у ВТСП при температурах вище критичних існує стан з меншим числом носіїв заряду поблизу рівня Фермі, ніж у звичайному провіднику. Це явище отримало назву «псевдощель». Цей стан незрозумілої природи викликав багато запитань у фізиків. Оскільки стан псевдощелі передує і частково існує спільно з надпровідністю (конкурує з нею), вчені вважають, що дослідження цього стану допоможе розкрити таємниці ВТСП. В останні роки цьому питанню присвячено багато робіт, одна з яких опублікована днями в журналі «Science».
Фізики з Брукхейвенської національної лабораторії і Корнельського університету, використовуючи розроблений ними унікальний високоточний скануючий тунельний мікроскоп, зуміли простежити деталі перетворення купрату з діелектрика на надпровідник, через стадію псевдощелі. Їх експериментальна установка дозволяла визначати просторове розташування і напрямок руху електронів у матеріалі, завдяки чому вдалося виявити два нових явища.
У вихідному стані досліджуваний купрат Bi2Sr2CaCu2O8 + - це ізолятор. Щоб перетворити його на ВТСП, до нього як джерело носіїв заряду (дірок) хімічно додавали атоми кисню. Такий процес називається допитування, додаткові атоми позначені у формулі як «+ ^». Фізики систематично протягом тривалого часу сканували матеріал при різних рівнях допування, щоб простежити, як змінюється поведінка і розташування електронів при еволюції матеріалу в надпровідний стан.
При підвищенні кількості носіїв заряду (рівня допування) матеріал переходив зі стану діелектрика в псевдощолеву фазу. При низькій щільності носіїв заряду спостерігалася досить статична картина. Виникало екзотичне періодичне статичне розташування деяких електронів, що отримало назву «хвилі щільності» або «смуги». Ці хвилі схожі на смужки «заморожених» електронів. Хвилі щільності, як і рух електронів, обмежені певними напрямками. При подальшому збільшенні кількості зарядів вчені виявили, що хвилі щільності зникають, а електрони в матеріалі знаходять здатність вільно рухатися в будь-якому напрямку. Причому це відбувається при тому ж рівні допування, що і виникнення чистої надпровідності.
"Вперше експеримент безпосередньо пов'язав зникнення хвиль щільності і пов'язаних з ними нанорозмірних дефектів кристалічної решітки з появою електронів, поточних вільно у всіх напрямках, необхідних для необмеженої надпровідності, - сказав провідний автор Сімус Девіс (Séamus Davis). - Ці нові вимірювання, нарешті, показали нам, чому в таємничому псевдощолевому стані цього матеріалу електрони переміщуються менш вільно ".
Девіс порівнює спостереження з польотом над замерзлою річкою, де можна побачити статичні фрагменти, утворені льодом, і в той же час виявити перебіг рідкої води. Ці польоти здійснюються знову і знову протягом весни, коли заморожений водний шлях поступово тане. У купраті замість підвищення температури вчені підвищували рівень допування, щоб «топити» хвилі щільності в певній критичній точці.
Це відкриття підтверджує давню ідею, що саме хвилі щільності обмежують потік електронів і погіршують максимальну надпровідність у псевдощелевій фазі. «Статичне розташування електронів і пов'язані нанорозмірні флуктуації порушують вільний потік електронів - як лід на річці погіршує потік рідкої води», - говорить Девіс.
Зрозуміло, отримати ВТСП не так просто, як розтопити лід, але це відкриття дає підказки. Якщо запобігти утворенню статичних смуг, коли вони виникають, зрештою можна отримати матеріали, які будуть виступати в якості надпровідника при більш низькій щільності допування і значно вищій температурі, вважає Девіс.
За матеріалами: Sciencedaily, Brookhaven National Laboratory
Підписи до малюнків
Ріс. 1. Спрощена зонна діаграма для провідників, напівпровідників і діелектриків (ru.wikipedia.org).
Ріс. 2. Фазова діаграма стану ВТСП залежно від його температури і рівня допування (щільності дірок). Пунктирна лінія - температура, при якій з'являється псевдощель. Псевдощоловій фазі відповідає область жовтого кольору нижче цієї лінії. Куполоподібна область - область надпровідності, її межа - суцільна лінія - критична температура (Тс). Область 1 відповідає перекриттю псевдошолового і надпровідного станів. На відповідному фото вгорі видно статичні смуги, які зникають в області 2, де має місце чиста надпровідність. Біла область - звичайний металевий стан.