1950
Команда хіміків з Університету Ворика за допомогою передової 3D-візуалізації заглянула всередину відомого купратного надпровідника і виявила, що його кристалічна будова зовсім не така однорідна, як вважали протягом останніх 40 років. Замість єдиної структури матеріал виявився складним «клаптиковим» поєднанням різних атомних упорядкувань з аномально широкими межами між ними, які можуть послаблювати надпровідність.
Про результати дослідження, проведеного спільно з Європейським синхротронним випромінювальним центром (ESRF) у Франції, повідомляє ScienceDaily.
Чому це важливо для надпровідності
Надпровідники здатні переносити електричний струм без опору, тобто без енергетичних втрат, характерних для звичайних провідників. Вони також можуть створювати надпотужні магнітні поля, що робить їх перспективними для майбутніх енергомереж, медичної діагностики та квантових комп’ютерів.
Особливе місце посідають купрати — мідьвмісні сполуки, які стають надпровідними за відносно «високих» (хоч і все ще дуже низьких) температур. Саме на припущенні, що їхня кристалічна структура всередині зразка є однаковою, будувалися теорії високотемпературної надпровідності протягом десятиліть.
Нове дослідження, опубліковане в журналі Physical Review Letters, показує, що це базове припущення може бути хибним принаймні для частини таких матеріалів.
3D-рентгенівська томографія кристала
Щоб перевірити внутрішню будову купрату, дослідники застосували сканувальну 3D-рентгенівську дифракцію — складну методику, яка дозволяє відтворити розташування атомів у глибині кристала. За принципом вона нагадує медичну КТ, але замість тканин і органів «сканує» кристалічні ґратки.
Такий підхід дав змогу побудувати детальну тривимірну карту внутрішньої структури надпровідника. На відміну від традиційних методів, що «усереднюють» інформацію по всьому зразку, нова техніка показала локальні відмінності, які раніше залишалися прихованими.
Замість однорідного кристала вчені побачили мозаїку ділянок із двома трохи різними атомними упорядкуваннями. Ще більш несподіваними виявилися межі між цими ділянками: вони були у сотні разів ширшими, ніж очікували теоретики.
Такі широкі перехідні зони виявилися не просто тонкими роздільними лініями, а об’ємними областями, які за своїми властивостями можуть поводитися майже як окремі структури. Це означає, що вони потенційно впливають на те, як електричний струм проходить крізь матеріал.
Переосмислення 40-річних уявлень
Керівник роботи професор Марк Сенн (Mark S. Senn) з кафедри хімії Університету Ворика наголошує, що більшість теоретичних моделей купратної надпровідності виходили з припущення про структурну однорідність. Нові дані показують, що кристал насправді «текстурований» і «латкуватий», а широкі межі доменів, ймовірно, не просто співіснують із надпровідністю, а частково працюють проти неї.
Це може пояснити, чому деякі надпровідні матеріали демонструють кращі характеристики, ніж інші, навіть якщо їхній хімічний склад подібний. Внутрішня «архітектура» кристала, зокрема розміри та розташування доменів і меж між ними, може виявитися критичним фактором.
Автори роботи вважають, що частину вже виконаних експериментів, особливо тих, де вимірювалися усереднені властивості зразків, доведеться переосмислити з урахуванням виявленої структурної складності. Майбутні теоретичні моделі надпровідності, ймовірно, мають враховувати реальну неоднорідність кристалів, а не розглядати їх як ідеально однорідні.
Наслідки для пошуку нових матеріалів
Дослідники підозрюють, що подібні приховані структурні візерунки можуть бути поширеними й в інших купратних надпровідниках. Аналогічні ефекти можуть виникати й у споріднених матеріалах, які нині вивчають на предмет надпровідності за екстремального тиску.
Робота також демонструє можливості нового покоління експериментальної техніки. Вимірювання стали можливими завдяки недавній модернізації Європейського синхротронного випромінювального центру вартістю близько 150 мільйонів євро, що забезпечила надзвичайно інтенсивні рентгенівські пучки для дослідження матеріалів з безпрецедентною деталізацією.
Тепер науковці можуть вивчати тривимірну внутрішню будову різних речовин з точністю, якої раніше не існувало. Виявлення того, як приховані атомні структури впливають на властивості матеріалів, відкриває нові можливості для всього матеріалознавства.
Для надпровідників наслідки особливо значущі. Краще розуміння того, як внутрішня кристалічна текстура впливає на електричні характеристики, у перспективі може допомогти цілеспрямовано покращувати надпровідні матеріали. Це, своєю чергою, наблизить створення ефективніших енергосистем, потужніших магнітів, медичних сканерів і квантових технологій.
Прихована вада у купратах змінює уявлення про надпровідники з’явилася спочатку на Цікавості.
