|
Разгадка загадки таинственного сверхпроводящего материала
|
|
|
|
Материал, состоящий из оксида иттрия, бария и меди (более известный как YBCO), интригует ученых с момента его открытия в 1987 году, главным образом потому, что он сохраняет свои сверхпроводящие свойства при более высокой, чем обычно, температуре. Однако он чрезвычайно хрупкий, что затрудняет его практическое применение.
|
|
|
|
Но исследователи все еще могут многое узнать о нем. Например, его необычные свойства могут дать представление о разработке возможных сверхпроводников при комнатной температуре — то есть материалов, которые проводят электричество без сопротивления при комнатной температуре. Это оказало бы огромное влияние на передачу энергии, медицинскую визуализацию и магниты термоядерных реакторов.
|
|
|
|
Одна из особенностей YBCO, которая озадачила исследователей, заключается в том, что легирование его празеодимом, редкоземельным элементом, полностью убивает сверхпроводящие свойства материала. Это необычно, поскольку добавление других редкоземельных элементов к YBCO не оказывает такого же эффекта.
|
|
|
|
Было неясно, почему празеодим так себя ведёт. Теперь группа исследователей под руководством профессора Ю Хэ из отдела прикладной физики, в сотрудничестве с группой Мейпла и группой Франо из Калифорнийского университета в Сан-Диего, а также группой Се из Мичиганского государственного университета, разгадала эту загадку. Таким образом, они опровергли теорию, существовавшую десятилетиями, и открыли новое направление исследований YBCO и других купратных сверхпроводников, основанное на контроле межслойного взаимодействия. Результаты опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
|
|
|
|
|
|
|
«Около 30 лет назад люди пытались легировать — по сути, замещать некоторые атомы в этом материале — с первоначальной целью усиления сверхпроводимости, чтобы мы могли использовать её при комнатной температуре», — сказал Цзиньмин Ян, аспирант, возглавлявший исследование. «Но в этом материале было обнаружено, что при замещении большинства атомов сверхпроводимость не изменяется или изменяется незначительно».
|
|
|
|
Но когда учёные заменили иттрий празеодимом в YBCO, произошло нечто иное: они обнаружили, что его атомы подавляют сверхпроводимость YBCO. Заинтригованные, исследователи начали изучать причины этого явления. Наиболее распространённой теорией стало предположение, что празеодим непосредственно участвует в передаче электронов компоненту оксида меди в YBCO.
|
|
|
|
Однако, используя технологию угловой фотоэлектронной спектроскопии (ARPES), Хэ и его исследовательская группа смогли более детально изучить происходящее.
|
|
|
|
«Мы можем напрямую измерить, как перераспределяется заряд в материале, легированном празеодимом, и в исходном YBCO», — сказал Ян. «И мы обнаружили, что празеодим не переносит заряд напрямую, а фактически препятствует взаимодействию между двумя слоями медно-кислородных плоскостей. Наши экспериментальные наблюдения показывают, что он также изменяет распределение заряда между двумя слоями, но не так, как предсказывала предыдущая модель».
|
|
|
|
Соавторы Чжэтин Цзинь и Сохраб Исмаил-Бейги провели дополнительные теоретические расчеты и анализ. «Наши теоретические расчеты показывают, что празеодим ведет себя не так, как предполагали предыдущие теории», — сказал Исмаил-Бейги, профессор прикладной физики имени Стратконы в Йельском университете.
|
|
|
|
Они отмечают, что его включение в кристаллическую решетку реорганизует электронную структуру медь-кислород и ослабляет связь между двумя слоями оксида меди в YBCO.
|
|
|
|
«Это указывает на то, что межслойная связь является важным новым направлением для понимания и, возможно, проектирования высокотемпературной сверхпроводимости», — сказал Цзинь, выпускник аспирантуры кафедры прикладной физики Йельского университета.
|
|
|
|
Более четкое представление о взаимодействии празеодима с YBCO может привести к критическим прорывам в этой области и, потенциально, к созданию сверхпроводников, функционирующих при более высоких температурах.
|
|
|
|
«Теперь, когда мы понимаем, как празеодим подавляет сверхпроводимость, это должно помочь нам понять механизм сверхпроводимости в этом материале», — сказал Ян.
|
|
|
|
Соавтор М. Брайан Мейпл, профессор Калифорнийского университета в Сан-Диего, отметил, что исследование показало, что даже после десятилетий исследований YBCO и другие высокотемпературные сверхпроводники «по-прежнему преподают очень важные уроки квантовой механики».
|
|
|
|
«Эта работа помогает уточнить наше понимание того, что контролирует сверхпроводимость в слоистых оксидах меди», — сказал он. «Помимо обещания немедленных технологических результатов, мы считаем, что ее ценность более фундаментальна: она показывает нам, на какие взаимодействия нам нужно обращать внимание, и дает нам лучшую основу для открытия новых явлений в родственных материалах. В этом и заключается суть фундаментальной науки».
|
|
|
|
Источник
|
