Открытие нового состояния в высокотемпературных сверхпроводниках

Ученые выявили одно экзотическое состояние, которое необходимо учитывать при разработке сверхпроводников, работающих при комнатной температуре.

Сверхпроводники - это квантовые материалы, которые являются совершенными передатчиками электричества и электронной информации. Хотя они составляют технологическую основу твердотельных квантовых вычислений, они также являются и его ключевым ограничивающим фактором, поскольку обычные сверхпроводники работают только при температуре около -270 °C. Это обусловило всемирную гонку в попытке открыть высокотемпературные сверхпроводники.

 

Credit: pixabay.com

 

Материалы, содержащие кристаллические слои CuO2 (купраты), в настоящее время являются наилучшими кандидатами на самую высокую температуру сверхпроводимости, около -120 ° C. Но сверхпроводимость при комнатной температуре в этих соединениях, похоже, расстроена существованием конкурирующей электронной фазы, и в последнее время основное внимание уделяется выявлению и контролю этой таинственной второй фазы.

Сверхпроводимость возникает, когда электроны образуют пары противоположного спина и противоположного импульса, и эти «куперовские пары» конденсируются в однородную электронную жидкость. Однако теория также допускает возможность того, что эти электронные пары кристаллизуются в состояние «волны парной плотности» (PDW), где плотность пар периодически модулируется в пространстве. Большой теоретический интерес проявился к тому, является ли такой PDW конкурирующей фазой в купратах.

Чтобы найти доказательства такого состояния PDW, команда во главе с профессором JC Seamus Davis (Оксфордский университет) и проф. Andrew P. Mackenzie (Институт Макса Планка CPfS, ​​Дрезден) с ключевыми сотрудниками Dr. Stephen D. Edkins и Dr Мохаммад Хамидиан (Корнельский университет) и д-р Казухиро Фухита (Брукхейвенская национальная лаборатория) использовали сильные магнитные поля для подавления однородной сверхпроводимости в купратном сверхпроводнике Bi2Sr2Ca2CuO2. Затем они провели атомную визуализацию электронной структуры новой индуцированной полем фазы.

При этом были обнаружены модуляции плотности электронных состояний, содержащих множественные сигнатуры состояния PDW. Явления находятся в согласии с теоретическими предсказаниями для состояния PDW, вызванного полем, подразумевая, что это волна парной плотности, которая конкурирует со сверхпроводимостью в купратах. Это открытие проясняет, что для понимания механизма загадочной высокотемпературной сверхпроводимости купратов необходимо учитывать это экзотическое состояние PDW, и, следовательно, открывается новый рубеж в исследованиях купратов.

Источник: S. D. Edkins, A. Kostin, K. Fujita, A. P. Mackenzie, H. Eisaki, S. Uchida, Subir Sachdev, Michael J. Lawler, E.-A. Kim, J. C. Séamus Davis, M. H. Hamidian. Magnetic field–induced pair density wave state in the cuprate vortex halo. Science, 2019; 364 (6444): 976 DOI: 10.1126/science.aat1773