1560
Купратні надпровідники, які проводять електрику без опору за дуже низьких температур, виявилися значно складнішими всередині, ніж вважали протягом останніх десятиліть. Нове дослідження, про яке повідомляє SciTechDaily, показало, що кристал одного з таких матеріалів не є однорідним, а складається з «латок» двох трохи різних атомних упорядкувань.
Надпровідники здатні переносити електричний струм без жодного опору, якщо їх охолодити нижче критичної температури. Це робить їх перспективними для майбутніх енергомереж, медичної візуалізації, надпотужних магнітів і квантових комп’ютерів. Купрати — мідьвмісні надпровідники — особливо привабливі тим, що демонструють надпровідність за відносно «високих» для цього явища температур, хоча вони все одно залишаються дуже низькими.
Кристал як «латане полотно»
Команда з кафедри хімії Університету Ворика (University of Warwick) досліджувала кристал купрату з так званої 214-сім’ї матеріалів. Раніше вважалося, що його структура однакова по всьому об’єму. Однак виявилося, що це не так: кристал складається з областей із очікуваною структурою та ділянок із дещо іншою будовою.
Межі між цими областями виявилися набагато ширшими, ніж прогнозували теоретичні моделі, — приблизно 150 нанометрів. Це в сотні разів більше, ніж очікували, тож такі межі поводяться радше як окремі структурні зони, а не як тонкі роздільні лінії.
За словами дослідників, саме ці широкі межі, ймовірно, не просто співіснують із надпровідністю, а можуть працювати проти неї, послаблюючи або ускладнюючи її прояв у матеріалі.
3D-рентген, подібний до КТ для кристалів
Щоб зазирнути всередину кристала, науковці співпрацювали з Європейським синхротронним випромінювальним центром (ESRF) у Франції. Вони використали метод сканувальної тривимірної рентгенівської дифракції, який за принципом нагадує медичну комп’ютерну томографію, але замість органів «сканує» розташування атомів у кристалі.
Ця техніка дала змогу вперше побудувати тривимірну картину глибоко всередині зразка і виявити структурні відмінності по всьому його об’єму. Можливість такого аналізу стала реальною завдяки нещодавньому оновленню ESRF вартістю близько 150 мільйонів євро, яке значно підвищило роздільну здатність установки.
Дослідники очікують, що цей підхід матиме значення не лише для надпровідників. Він відкриває шлях до вивчення широкого спектра матеріалів у трьох вимірах з деталізацією, яка раніше була недосяжною, і до кращого розуміння того, як внутрішня структура визначає їхні властивості.
Переосмислення 40 років теорії
Керівник роботи, професор Марк Сенн (Mark S. Senn) з Університету Ворика, наголошує, що протягом приблизно сорока років основною робочою гіпотезою було припущення про однорідність таких матеріалів. Більшість теоретичних моделей надпровідності в купратах будувалися саме на цьому уявленні.
Нові результати показують, що ця картина є неповною: кристал виявився «латаним» і текстурованим, із незвично широкими межами між доменами. На думку авторів, це може пояснити, чому деякі купрати демонструють кращі надпровідні властивості, ніж інші, навіть за схожого хімічного складу.
Команда також припускає, що подібна прихована структурна неоднорідність може бути поширеною в усій родині купратів, а також у споріднених матеріалах, які нині вивчають як кандидати на надпровідність за екстремальних тисків.
Це означає, що частину вже наявних експериментальних даних, отриманих на таких кристалах, доведеться переосмислити, а майбутні теоретичні моделі — будувати з урахуванням виявленої складної внутрішньої структури.
Робота опублікована в журналі Physical Review Letters і демонструє, як поєднання сучасних рентгенівських методів та матеріалознавства може змінити уявлення про добре відомі, здавалося б, системи — і водночас підказати, як створювати ефективніші надпровідники для енергетики, медицини та квантових технологій.
Прихована структура купратів виявилася перешкодою для надпровідності з’явилася спочатку на Цікавості.
