Раскрыта природа высокотемпературной сверхпроводимости

Физики открыли «квантовый клей», который лежит в основе перспективного типа сверхпроводимости, что является важнейшим шагом к созданию энергетических магистралей, которые проводят электричество без потерь.

Исследование, опубликованное в журнале «Труды Национальной академии наук», является результатом сотрудничества между физиками-теоретиками во главе с Дирком Moрром, профессором физики в университете Иллинойса в Чикаго, и экспериментаторами во главе с Симусом Дэвисом из Корнельского университета и Брукхейвенской национальной лаборатории.

Самые ранние сверхпроводящие материалы требовали рабочих температур, близких к абсолютному нулю, или — 273,15 °С. Новые нетрадиционные или высокотемпературные сверхпроводники функционируют при слегка повышенной температуре, и диапазон температур варьируется в зависимости от материала. Ученые надеются, что это различие свидетельствует о существовании сверхпроводников, способных работать при комнатной температуре и пригодных для создания энергетических магистралей.

Сверхпроводимость возникает тогда, когда два электрона в материале связываются друг с другом, образуя то, что называется парой Купера. Инновационные эксперименты, проведенные Фриком Месси и Миланом Алланом в группе Дэвиса, были проанализированы с использованием новой теоретической основы, разработанной Морром и аспирантом Джоном Ван Дайком. Их результаты указывают на магнетизм как силу, лежащую в основе сверхпроводимости в нетрадиционном сверхпроводнике, состоящем из церия, кобальта и индия, с молекулярной формулой CeCoIn5.
«В течение долгого времени мы были не в состоянии разработать детальное теоретическое понимание сверхпроводимости в этом нетрадиционном сверхпроводнике», — сказал Морр, глава исследования. Два традиционных подхода к пониманию сути сложной электронной структуры CeCoIn5 не дали результатов.

Ответ на этот вопрос был получен после того, как группа Дэвиса разработала систему высокоточного анализа состояния CeCoIn5, используя метод сканирующей туннельной спектроскопии квазичастиц. Анализ спектров с использованием новой теоретической основы, разработанной Морром и Ван Дайкой, позволил исследователям извлечь недостающие кусочки мозаики.

Подтвердилась 30-летняя гипотеза, что «квантовым клеем» сверхпроводимости является узконаправленный магнетизм.
Зная направленность зависимости «квантового клея», ученые впервые смогли количественно предсказать сверхпроводящие свойства материала, используя ряд математических уравнений.
«Наши расчеты показали, что разрыв асимметричен, подразумевая, что для некоторых направлений электроны связаны друг с другом очень сильно, в то время как в других они не связаны вообще», — сказал Морр.

Направленная зависимость является одним из признаков нетрадиционных сверхпроводников.

«Мы пришли к выводу, что магнетизм является «квантовым клеем», лежащим в основе возникновения нетрадиционной сверхпроводимости в CeCoIn5», — отметил Морр.

Исследование приоткрыло завесу тайны, окружающей новый материал, что стало возможным только при тесном сотрудничестве теории и эксперимента.
Теперь у ученых есть отличная отправная точкой для понимания того, как сверхпроводимость работает в других сложных материалах. С рабочей теорией станет возможным создание сверхпроводников с идеальной рабочей температурой, вплоть до комнатной.