Високотемпературната свръхпроводимост: Ново аномално електронно състояние отваря пътя към нея

По правило свръхпроводящите материали са в състояние да провеждат електричество без съпротивление само при много ниски температури. Появата на високотемпературни свръхпроводници може да изведе електрониката и редица други технологии на качествено ново ниво. Международен екип от изследователи направи важна крачка в тази посока: учените за първи път са наблюдавали „възлов метал“ – специално електронно състояние, което дава възможност за по-добро разбиране на поведението на електроните в многослойна система, съдържаща мед и кислород.

„Свръхпроводимостта се появява, когато носителите на заряд – дупките или електроните – се легират в двуизмерен меден оксид“,

обяснява съавторът Шин’ичиро Идета от Университета в Хирошима, един от изследователите.

Легирането включва въвеждане на дефекти в дадена система, която след това може да бъде манипулирана, за да се постигне желаното поведение в рамките на определени параметри. Свръхпроводниците от меден оксид са многослойни системи, които проявяват различни температури на преход в зависимост от броя на слоевете меден оксид. Те са способни да претърпяват значителни физични преходи, включително преход към свръхпроводящо състояние.

В миналото учените са установили експериментално, че температурата на прехода достига максималната си стойност в система с три слоя меден оксид. Защо обаче това е така и как се държат електроните при тази температура, дълго време оставаше загадка, пише EurekAlert.

За да установят как различните нива на легиране влияят върху поведението на електроните при различни температури на прехода, изследователите са използвали фотоемисионна спектроскопия с ъглова резолтация и синхротронно излъчване. Интензивните снопове фотони, генерирани от синхротрон, се използват за възбуждане на електроните в материален образец – в този случай трислойна купратна система. Изследователите могат да измерят движението на възбудените електрони, разкривайки електронната зонална структура на материала – връзката между енергията и импулса на електроните. Те могат също така директно да измерят ширината на енергийната междина: когато даден материал стане свръхпроводящ, електронната му структура образува вид енергийна бариера, известна като свръхпроводяща енергийна междина, която поддържа електроните стабилни и не позволява лесното им възбуждане.

„За наша изненада установихме, че свръхпроводимите електрони съществуват при температури, значително по-високи от температурата на прехода, във вътрешните равнини на медния оксид с много ниска концентрация на дупки“, казва Идета, като обяснява, че тази слабо легирана, силно свръхпроводима област е „възлов метал“, който може да демонстрира как дори по-високи температури на прехода могат да предизвикат свръхпроводими електрони.

Освен това свръхпроводящата енергийна междина, свидетелстваща за свръхпроводимост в тази система, е много по-голяма, отколкото в конвенционалните свръхпроводници, казват изследователите.

По този начин този метален възел показва, че свръхпроводимостта се стабилизира чрез „ефекта на близостта“ между двата външни и единия вътрешен слой от меден оксид. Ето защо трислойните купратни свръхпроводници показват най-висока температура на преход към свръхпроводящо състояние в сравнение с други купратни свръхпроводници.