|
Исследователи разгадали тайну фермиевых дуг
|
|
|
|
Высокотемпературная сверхпроводимость - одна из величайших загадок современной физики: некоторые материалы проводят электрический ток без какого—либо сопротивления, но только при очень низких температурах. Открытие материала, который остается сверхпроводящим даже при комнатной температуре, может вызвать технологическую революцию. Поэтому люди во всем мире работают над улучшением и более полным пониманием таких материалов.
|
|
|
|
В TU Wien (Вена) был сделан важный шаг. Особенно интересный класс высокотемпературных сверхпроводников, известных как купраты, демонстрирует весьма неожиданный эффект. При определенных условиях электроны в этих материалах могут двигаться только в определенных направлениях. Разрешенные направления могут быть визуализированы в виде кривых, известных как дуги Ферми.
|
|
|
|
Эти дуги можно визуализировать с помощью лазерного излучения, которое специально выбивает электроны из материала. Команда из Института физики твердого тела Венского университета в настоящее время успешно разработала теоретические и численные модели, объясняющие этот эффект. Это вызвано магнитными взаимодействиями между электронами разных атомов.
|
|
|
|
Многие вопросы о высокотемпературной сверхпроводимости остаются без ответа
|
|
|
|
Объяснения сверхпроводимости существуют уже давно — Нобелевская премия была присуждена еще в 1972 году за так называемую "теорию BCS", которая может быть использована для математического описания сверхпроводимости в металлах.
|
|
|
|
|
|
|
Однако эта теория терпит неудачу, когда речь заходит об особенно интересных материалах, которые обеспечивают сверхпроводимость даже при сравнительно высоких температурах (хотя и все еще довольно низких по человеческим меркам). К таким материалам относятся купраты — медьсодержащие соединения, которые на сегодняшний день являются одними из наиболее изучаемых сверхпроводящих материалов.
|
|
|
|
"Изучая эти материалы, мы сталкиваемся с целым рядом необъяснимых явлений, которые часто тесно связаны", - сказал Алессандро Тоски, координировавший исследовательский проект вместе с Карстеном Хелдом. Одним из таких явлений являются "дуги Ферми".
|
|
|
|
Можно добавить дополнительные электроны к высокотемпературным сверхпроводникам, а затем измерить, как эти электроны движутся в материале, или, говоря с точки зрения квантовой физики, какие квантовые состояния могут принимать эти электроны.
|
|
|
|
Во время таких измерений исследователи столкнулись с неожиданностью. "Материал допускает только определенные направления импульса", - говорит Маттиас Райтнер (TU Wien). "Это означает, что электроны могут двигаться только в определенных направлениях".
|
|
|
|
Квантово-физически допустимые состояния лежат на кривой (дуге Ферми), которая резко обрывается в определенных точках — крайне нетипичное поведение, которое невозможно объяснить с помощью обычных теоретических моделей.
|
|
Шахматная доска из антиферромагнитных материалов
|
|
|
|
Однако команде из Венского университета — Полу Ворму, Маттиасу Райтнеру, Карстену Хелду и Алессандро Тоски — удалось теоретически объяснить это удивительное поведение. Они разработали сложное компьютерное моделирование, а также аналитическую модель, которая описывает это явление с помощью простой формулы. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.
|
|
|
|
"Ключом к полученному эффекту является антиферромагнитное взаимодействие", - говорит Райтнер. Антиферромагнетизм означает, что направление магнитного поля атома предпочтительно направлено в противоположную сторону по отношению к соседнему атому.
|
|
|
|
"В купратах, которые мы смоделировали, это антиферромагнитное взаимодействие с большим радиусом действия", - говорит Райтнер. "Таким образом, магнитные моменты электронов на разных атомах выравниваются на больших расстояниях таким образом, что магнитная ориентация электронов всегда меняется от одного направления к другому — подобно шахматной доске, где каждое поле окрашено по-разному в зависимости от его непосредственных соседей".
|
|
|
|
Исследовательская группа смогла показать, что этот магнитный паттерн впоследствии приводит к странному поведению электронов, зависящему от направления.
|
|
|
|
"Впервые мы смогли представить теоретическую модель внезапного прекращения фермиевых дуг и объяснить, почему движение электронов в таких материалах возможно только в определенных направлениях", - говорит Ворм.
|
|
|
|
"Это достижение не только помогает нам лучше понять некоторые из неразгаданных тайн высокотемпературных сверхпроводников, но и может продвинуть будущие исследования материалов с аналогичными нетрадиционными свойствами".
|
|
|
|
Источник
|
