Первая прямая визуализация волны плотности пар с нулевым полем
Сверхпроводник, существующий при комнатной температуре и давлении может произвести революцию в современной жизни. Но в настоящее время даже «высокотемпературный» (high-Tc) сверхпроводник, который был обнаружен, должен храниться при низкой температуре, чтобы функционировать.
На этой иллюстрации сверхпроводящего материала Eu-1144 сине-пурпурная волна, показанная над кристаллической решеткой, представляет, как энергетический уровень электронных пар (желтых сфер) пространственно модулируется, когда эти электроны движутся через кристалл. Предоставлено: Брукхейвенская национальная лаборатория
Ученым еще многое предстоит узнать, прежде чем можно будет реализовать сверхпроводимость при комнатной температуре, в основном потому, что сверхпроводники представляют собой очень сложные материалы с переплетенными, а иногда и конкурирующими магнитными и электронными состояниями. Эти различные состояния, или фазы, может быть очень трудно распутать и интерпретировать.
Одним из таких состояний является альтернативное сверхпроводящее состояние вещества, известное как волна плотности пар (PDW), которое характеризуется связанными парами электронов, которые постоянно находятся в движении. Считалось, что PDW возникают только тогда, когда сверхпроводник помещается в большое магнитное поле.
Недавно исследователи из Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США, Колумбийского университета и Национального института передовых промышленных наук и технологий Японии непосредственно наблюдали PDW в сверхпроводящем материале на основе железа без присутствия магнитного поля.
«Исследователи в нашей области предположили, что PDW может существовать сам по себе, но доказательства были в лучшем случае неоднозначными», — сказал Кадзухиро Фудзита, физик из Брукхейвена, который участвовал в исследовании. «Этот сверхпроводник на основе железа является первым материалом, в котором доказательства ясно указывают на PDW с нулевым магнитным полем. Это захватывающий результат, который открывает новые потенциальные возможности для исследований и открытий в области сверхпроводимости».
Материал, пниктид железа EuRbFe4Как4 (Eu-1144), который имеет слоистую кристаллическую структуру, также весьма примечателен, потому что он естественным образом проявляет как сверхпроводимость, так и ферромагнетизм. Эта необычная двойственная идентичность изначально привлекла группу к материалу и привела их к его изучению.
«Мы хотели посмотреть, связан ли этот магнетизм со сверхпроводимостью? Как правило, сверхпроводники дестабилизируются магнитным порядком, поэтому, когда и сверхпроводимость, и магнетизм существуют вместе в одном соединении, интересно посмотреть, как они сосуществуют», — сказал физик Абхай Пасупати, один из соавторов статьи.
Пространственно модулированная сверхпроводимость была обнаружена при появлении магнетизма.
Пасупати и его коллеги изучали Eu-1144 в лаборатории сверхнизких вибраций в Брукхейвене с использованием современного сканирующего туннельного микроскопа со спектроскопической визуализацией (SI-STM).
Они проводили измерения на своем образце по мере повышения его температуры, проходя через две критические точки: температуру магнетизма, ниже которой материал проявляет ферромагнетизм, и температуру сверхпроводимости, ниже которой материал способен проводить ток с нулевым сопротивлением.
Ниже критической сверхпроводящей температуры образца измерения выявили разрыв в спектре энергий электронов. Этот зазор является важным маркером, потому что его размер эквивалентен энергии, необходимой для разрушения электронных пар, несущих сверхпроводящий ток. Модуляции в зазоре показывают изменения в энергиях связи электронов, которые колеблются между минимумом и максимумом. Эти модуляции энергетической щели являются прямой сигнатурой PDW.
Это открытие указывает исследователям на некоторые новые направления, такие как попытка воспроизвести это явление в других материалах. Есть и другие аспекты PDW, которые можно исследовать, например, попытка косвенно обнаружить движение электронных пар с помощью сигнатур, которые проявляются в других свойствах материала.
Подробнее: He Zhao et al, Smectic pair-density-wave order in EuRbFe4As4, Nature (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-06103-7 🔗
Нашли ошибку в тексте? Напишите нам.