Сверхпроводники способны проводить электричество практически без потерь энергии в виде тепла. В перспективе это может иметь огромное значение для энергетических сетей, вычислительных систем и других технологий. Но для широкого применения учёным необходимо гораздо лучше понять, как именно работают такие материалы.
Даже так называемые высокотемпературные сверхпроводники приходится охлаждать значительно ниже нуля. И теперь выяснилось, что один из важнейших их классов может быть устроен совсем не так, как предполагалось почти четыре десятилетия.
Исследователи из Уорикского университета и Европейского центра синхротронного излучения изучили купраты — керамические материалы на основе меди, известные своей способностью становиться сверхпроводниками при сравнительно высоких температурах.
С момента их открытия в 1986 году считалось, что внутри такие материалы обладают практически однородной кристаллической структурой. Значительная часть существующих теорий строилась именно на этом предположении.
Однако новое исследование показало другую картину: внутри сверхпроводника обнаружилась своеобразная мозаика из разных структур.
«Сорок лет исходили из того, что эти материалы одинаковы во всём своём объёме, и почти вся теория построена на этом представлении. Мы показали, что это не так», — объясняет химик Марк Сенн из Уорикского университета.
Чтобы заглянуть внутрь материала, учёные применили трёхмерную рентгеновскую дифракцию. Этот метод позволяет различать кристаллические структуры в глубине образца, измеряя деформации в разных его участках.
Исследователи изучали купрат на основе лантана, европия, стронция и меди при температурах от примерно 27 до −173 градусов Цельсия.
Столь подробно внутреннюю структуру купрата исследовали впервые. И результаты оказались неожиданными: внутри обнаружили два разных расположения атомов, разделённых необычно широкими пограничными областями.
По словам Сенна, кристалл оказался фундаментально неоднородным. Более того, широкие границы между его различными участками, вероятно, не просто существуют внутри материала, а могут мешать сверхпроводимости.
Это открытие может помочь объяснить, почему одни подобные материалы работают лучше других. Оно также означает, что часть прежних измерений, выполненных для целых образцов, возможно, придётся интерпретировать заново.
Особенно важным может оказаться влияние внутренней структуры на движение электронов. Именно поведение электронов играет ключевую роль в сверхпроводимости, а обнаруженные границы способны влиять на то, как электроны объединяются в пары и образуют определённые структуры.
Теперь исследователи хотят применить тот же метод к другим купратам и материалам, чтобы выяснить, насколько распространена такая внутренняя неоднородность и как она связана с их свойствами.
Работа также поднимает более фундаментальный вопрос: стоит ли вообще рассматривать такие сверхпроводники как один однородный материал или правильнее считать их системой из нескольких структур, сосуществующих внутри одного образца.
Авторы считают, что новые методы трёхмерного сканирования помогут получить достаточно подробные данные, чтобы создавать более точные модели сложных материалов.
Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.
