В продължение на 40 години физиците погрешно са смятали, че материята е по-хомогенна, отколкото е в действителност

Група изследователи е създала триизмерна карта на вътрешната структура на купратния свръхпроводник La_1,675Eu_0,2Sr_0,125CuO₄ и е открила нехомогенна структура там, където много физични модели предполагаха хомогенен кристал. Измерванията, проведени в синхротрона ESRF във Франция са разкрили обширни области с различно разположение на атомите в сърцевината на материала, способни да повлияят на свръхпроводимостта и да накарат физиците да интерпретират по различен начин част от предишните експерименти.

Материалът принадлежи към групата на купратите – съединения на базата на медни оксиди, при които свръхпроводимостта възниква при значително по-висока температура, отколкото при много класически свръхпроводници, въпреки че по обичайните стандарти кристалите все още трябва да се охлаждат силно. Вътре в купратите атомите образуват слоеста решетка, а обграждащите медта кислородни октаедри CuO₆ могат да се накланят по различен начин. Неголямо пренареждане променя симетрията на кристала и едновременно с това влияе върху поведението на електроните.

Авторите са изследвали купрат с легиране от една осма – особено интересна за физиците област на състава, където триизмерната свръхпроводимост отслабва, а подреждането на електрическите заряди става по-забележимо. При стайна температура, около 300K или 27°C, кристалът номинално има нискотемпературна орторомбична структура. При охлаждане до около 160K, около -113°C, материалът преминава в нискотемпературна тетрагонална фаза с различна схема на наклона на кислородните октаедри.

Учените са успели да разгледат вътрешната структура с помощта на сканираща триизмерна рентгенова дифракция. Пробата се премествала и завъртала в рентгеновия лъч, а въз основа на дифракционната картина се възстановявала пространственото разпределение на деформациите на кристалната решетка. Методът работи в известен смисъл като томография, само че вместо формата на органите показва разликите в разположението на атомите вътре в кристала. Пространствената разделителна способност на реконструкцията е достигала най-малко 70 нанометра.

При 300K изследователите са забелязали в сърцевината на формално орторомбичен кристал широки слоеве с признаци на тетрагонална структура. Дебелината на тези граници е била около 150 нанометра, а съседните области се намирали на разстояние от приблизително 0,5-2 микрометра една от друга. За обикновена доменна стена, тоест граница между участъци от кристала с различна ориентация на решетката, такава ширина е необичайно голяма. Вместо почти рязък преход се образува цяла междинна област, където посоката на наклона на кислородните октаедри постепенно се променя.

След охлаждане до 100K, приблизително -173°C картината се е променила. Основната част от пробата придобила тетрагонална структура, но вътре се запазили тънки ивици с орторомбични характеристики с размер около 100-200 нанометра. Редовното разположение на ивиците и анализът на деформациите сочат, че нееднородността произтича от самата кристална структура, а не от случайно разпределение на химически примеси.

Тези подробности са важни поради тясната връзка между структурата на решетката и движението на електроните в купратите. В тетрагоналната фаза наклоните на октаедрите спомагат за фиксирането на така наречените зарядни ленти – периодични области с повишена и понижена електронна плътност. Между съседните слоеве посоката на лентите се завърта на 90°, поради което съгласуваното движение на свръхпроводящия ток между слоевете може да бъде нарушено. Орторомбичните участъци, напротив, потенциално са способни да запазват локални пътища за свръхпроводимост. Авторите подчертават, че експериментът е измервал структурата на кристала, а не пространственото разпределение на свръхпроводящия ток, поради което пряката причинно-следствена връзка все още предстои да бъде проверена.

Признаци за сложна структура са се появявали и по-рано. През 2022 гoдина рентгеновите измервания показаха съвместното съществуване на фази в подобни купрати дори при 10K. Въпреки това, усредняващите методи на дифракция не позволяваха да се види как отделните области са разположени вътре в обемния образец. Новата триизмерна реконструкция показва, че някои сигнали, които преди можеха да бъдат приети за наличие на две отделни фази, могат да възникват поради необичайно дебели граници между домейните.

Авторите предполагат, че подобна вътрешна мозайка е характерна не само за изследваното съединение. Анализът на симетрията сочи към възможността за подобни структури в много други купратни свръхпроводници и сродни слоести материали. Засега заключението остава прогноза: триизмерната микроструктура е проверена експериментално само върху конкретен образец. Следователно основният резултат от изследването не се отнася до отхвърляне на съществуващата теория за свръхпроводимостта, а до важно уточнение на изходните условия: реалният кристал може да бъде много по-нехомогенен, отколкото предполагат моделите, които го описват чрез единна усреднена структура.