40 лет ученые ошибались насчет сверхпроводников: новое открытие меняет представления об их устройстве

Ученые из Уорикского университета обнаружили, что сверхпроводник, который исследуют уже 40 лет, устроен совсем не так, как считалось. Вместо однородной кристаллической структуры внутри материала обнаружилась сложная мозаика из областей с различным расположением атомов. Более того, границы между этими областями оказались в сотни раз шире, чем предполагалось. Это открытие может объяснить некоторые загадки сверхпроводимости и заставить исследователей пересмотреть теории, на которые они опирались десятилетиями.

Сверхпроводимость считается одним из важнейших научных открытий последних десятилетий. Материалы, обладающие этим свойством, способны проводить электрический ток без сопротивления, исключая потери энергии, неизбежные в обычных проводниках. Кроме того, они позволяют создавать чрезвычайно мощные магниты. В перспективе такие технологии могут найти применение в электрических сетях, медицинских томографах и квантовых компьютерах.

Особый интерес представляют высокотемпературные сверхпроводники. Несмотря на название, для их работы по-прежнему необходимы очень низкие температуры, однако они значительно выше, чем у многих других сверхпроводящих материалов.

Именно такие вещества, известные как купраты, стали объектом исследования специалистов химического факультета Уорикского университета. Результаты работы, проведенной совместно с Европейским центром синхротронного излучения во Франции, опубликованы в научном журнале Physical Review Letters.

На протяжении четырех десятилетий ученые строили теории сверхпроводимости купратов, исходя из предположения, что кристаллическая структура этих материалов одинакова во всем объеме. Такое представление лежало в основе практически всех существующих теоретических моделей. Однако проверить, что действительно происходит глубоко внутри кристалла, было непросто.

Решить эту задачу помог метод сканирующей трехмерной рентгеновской дифракции. По своему принципу он напоминает медицинскую компьютерную томографию, но вместо изображения органов и тканей позволяет восстановить пространственное расположение атомов внутри материала.

С его помощью исследователи впервые получили подробную трехмерную картину внутреннего строения сверхпроводника. То, что они увидели, существенно отличалось от привычных представлений.

Кристалл оказался не однородным целым, а своеобразной мозаикой из участков с двумя немного различающимися вариантами расположения атомов. Однако самым неожиданным открытием стали переходные области между ними.

Согласно прежним представлениям, границы между такими участками должны были быть сравнительно узкими. В действительности их ширина оказалась в сотни раз больше ожидаемой. Эти переходные зоны настолько протяженные, что могут вести себя почти как самостоятельные структуры, а не просто как линии раздела между соседними областями.

Это принципиально важно, поскольку подобные особенности внутреннего строения способны влиять на движение электрического тока и, возможно, препятствовать самой сверхпроводимости.

«Сорок лет мы исходили из того, что эти материалы одинаковы во всем объеме, и почти вся теория строилась на таком представлении. Мы показали, что это не так», — объясняет профессор Марк Сенн, возглавивший исследование.

По его словам, кристалл имеет сложную неоднородную структуру с необычно широкими пограничными областями. Причем эти границы, вероятно, не просто существуют внутри материала, а мешают его сверхпроводящим свойствам.

Такое объяснение может помочь разобраться в давней проблеме: почему одни сверхпроводящие материалы демонстрируют лучшие характеристики, чем другие. Если внутренние границы действительно ухудшают сверхпроводимость, то различия в атомной структуре могут оказаться одним из факторов, определяющих эффективность материала.

Открытие также ставит под вопрос интерпретацию некоторых предыдущих экспериментов. Многие измерения проводились для образцов в целом, без учета сложной структуры их внутренних областей. Теперь часть таких результатов, возможно, придется проанализировать заново.

Измениться могут и подходы к теоретическому моделированию. Вместо представления об идеально однородном кристалле ученым потребуется учитывать реальное распределение различных атомных структур и особенности переходных зон между ними.

Исследователи предполагают, что обнаруженная неоднородность может быть характерна не только для изученного образца, но и для других купратных сверхпроводников. Похожие структуры могут существовать и в родственных материалах, которые исследуют на способность переходить в сверхпроводящее состояние под экстремально высоким давлением.

Сделать открытие удалось благодаря развитию методов исследования вещества. Недавняя модернизация Европейского центра синхротронного излучения стоимостью 150 миллионов евро позволила использовать исключительно интенсивные рентгеновские пучки и изучать внутреннее строение материалов с ранее недоступной детализацией.

Теперь ученые могут получать трехмерные изображения атомной структуры в глубине различных материалов и исследовать особенности, которые прежде оставались незаметными. Это открывает новые возможности не только для изучения сверхпроводимости, но и для материаловедения в целом.

При этом обнаружение скрытых границ пока не означает, что исследователи нашли способ устранить их влияние. Однако понимание того, как неоднородность кристалла связана с его электрическими свойствами, может стать важным шагом к созданию более эффективных сверхпроводников.

Если ученым удастся установить, какие особенности атомного строения помогают сверхпроводимости, а какие ей мешают, это может приблизить разработку более совершенных энергетических систем, мощных магнитов, медицинского оборудования и квантовых технологий.