В течение многих лет физики пытались расшифровать электронные детали высокотемпературных сверхпроводников. Эти материалы могут революционизировать передачу энергии и электронику из-за их способности проводить электрический ток без потерь энергии при охлаждении ниже определенной температуры. Детали микроскопической электронной структуры «высокотемпературных» сверхпроводников могут показать, как различные фазы (состояния вещества) конкурируют или взаимодействуют со сверхпроводимостью — состоянием, в котором заряженные электроны каким-то образом преодолевают свое отталкивание, чтобы спариться и свободно течь. Конечная цель состоит в том, чтобы понять, как заставить эти материалы действовать как сверхпроводники без необходимости переохлаждения.

Теперь ученые, изучающие высокотемпературные сверхпроводники в Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США, имеют четкие доказательства существования состояния вещества, известного как волна парной плотности — впервые предсказанное теоретиками около 50 лет назад. Их результаты, опубликованные в журнале Nature, показывают, что эта фаза сосуществует со сверхпроводимостью в известном сверхпроводнике на основе оксида меди на основе висмута.

«Это первое прямое спектральное доказательство того, что волна парной плотности существует в нулевом магнитном поле», — сказал Казухиро Фудзита, физик, который руководил исследованиями в Брукхейвенской лаборатории. «Мы определили, что волна парной плотности играет важную роль в этом материале. Наши результаты показывают, что эти два состояния вещества — волна парной плотности и сверхпроводимость — сосуществуют и взаимодействуют».

Результаты группы получены из измерений туннельных спектров одиночных электронов с использованием современного сканирующего туннельного микроскопа с спектроскопическим изображением (SI-STM) в лаборатории OASIS в Брукхейвене.

«Мы измеряем, сколько электронов в данном месте« туннель »от поверхности образца до наконечника сверхпроводящего электрода SI-STM и наоборот, когда мы меняем энергию (напряжение) между образцом и наконечником», — сказала Фудзита. , «С помощью этих измерений мы можем отобразить кристаллическую решетку и электронную плотность состояний, а также количество электронов, которые мы имеем в данном месте».

Когда материал не является сверхпроводящим, электроны существуют в непрерывном спектре энергий, каждый из которых распространяется на своей собственной уникальной длине волны. Но когда температура понижается, электроны начинают взаимодействовать, соединяясь, когда материал входит в сверхпроводящее состояние. Когда это происходит, ученые наблюдают разрыв в энергетическом спектре, созданный отсутствием электронов в этом конкретном энергетическом диапазоне.

«Энергия зазора равна энергии, необходимой для разрыва электронных пар (что говорит о том, насколько они тесно связаны)», — говорит Фудзита.

Пока ученые сканировали поверхность материала, они обнаружили пространственно модулирующие структуры энергетической щели. Эти модуляции в запрещенной зоне показали, что сила связи электронов изменяется — увеличивается до максимума, затем опускается до минимума — при этом паттерн повторяется каждые восемь атомов по поверхности регулярно выстроенной кристаллической решетки.

Эта работа построена на предыдущих измерениях, показывающих, что ток, создаваемый парами электронов, туннелирующих в микроскоп, также изменялся одинаковым периодическим образом. Эти модуляции в токе были первым доказательством, хотя и несколько косвенным, наличия волны парной плотности.

«Модуляции в токе спаренных электронов являются индикатором того, что существуют модуляции того, насколько сильно спаренные электроны находятся на поверхности. Но на этот раз, измерив энергетический спектр отдельных электронов, нам удалось непосредственно измерить модулирующий зазор в «Спектры, где происходит спаривание. Модуляции в размерах этих промежутков являются прямым спектроскопическим свидетельством того, что существует волновое состояние плотности пар», — сказала Фудзита.

Новые результаты также включали доказательства других ключевых сигнатур волны парной плотности, включая дефекты, называемые «полувихри», а также ее взаимодействия со сверхпроводящей фазой.

Кроме того, модуляции энергетической щели отражают другие исследования Лаборатории Брукхейвена, указывающие на существование модулирующих моделей электронных и магнитных характеристик — иногда называемых «полосами» — которые также происходят с периодичностью в восемь элементных ячеек в определенных высоких Tc купратные сверхпроводники.

«Вместе эти результаты показывают, что волна парной плотности играет существенную роль в сверхпроводящих свойствах этих материалов. Понимание этого состояния может помочь нам понять сложную фазовую диаграмму, которая отображает, как сверхпроводящие свойства возникают при различных условиях, включая температуру, магнитное поле и плотность носителей заряда «, сказал Фудзита.