Специалисты Уорикского университета обнаружили неожиданную особенность внутри сверхпроводника, который изучают уже сорок лет. Ранее считалось, что кристаллическая структура этого материала однородна по всему объёму, однако в действительности он состоит из сложного сочетания различных атомных конфигураций. Применив передовой метод трёхмерной визуализации, исследователи впервые смогли заглянуть вглубь кристалла и увидеть скрытые детали, которые ставят под сомнение десятилетия научных представлений, сообщает ScienceDaily.
Высокотемпературная сверхпроводимость считается одним из ключевых научных достижений последних сорока лет. Сверхпроводники способны пропускать электрический ток без сопротивления, что устраняет потери энергии, характерные для обычных материалов. Кроме того, они позволяют создавать исключительно мощные магниты, поэтому рассматриваются как перспектива для будущих энергосетей, медицинских сканеров и квантовых компьютеров.
Результаты работы опубликованы в журнале Physical Review Letters. Над исследованием трудились сотрудники химического факультета Уорикского университета совместно с Европейской установкой синхротронного излучения (ESRF) во Франции. В центре внимания оказался класс медных сверхпроводников — купратов, которые проводят ток без сопротивления при необычно высоких, хотя всё ещё очень низких температурах.
На протяжении четырёх десятилетий теории сверхпроводимости купратов строились на допущении, что внутренняя кристаллическая структура этих материалов везде одинакова. Новая работа показывает, что это предположение выполняется не всегда. Для изучения образцов учёные применили сканирующую трёхмерную рентгеновскую дифракцию — метод, позволяющий определить расположение атомов в глубине кристалла. По принципу он напоминает медицинскую компьютерную томографию, только вместо тканей и органов отображает атомные структуры. Это дало возможность построить детальную объёмную картину внутреннего строения сверхпроводника и выявить структурные различия, которые обычные методики не показывали.
Вместо однородного кристалла исследователи увидели мозаику из областей с двумя слегка различающимися типами атомного порядка. Ещё больше удивили границы между этими областями: они оказались в сотни раз шире, чем ожидалось. Такие протяжённые переходные зоны не были узкими разделительными линиями между соседними структурами. Они настолько велики, что ведут себя почти как самостоятельные структуры и могут влиять на движение электричества через материал.
Руководитель работы профессор Марк Сенн из химического факультета Уорикского университета пояснил, насколько важны эти результаты. «Сорок лет рабочее допущение состояло в том, что эти материалы одинаковы по всей толще, и почти вся теория построена на этой картине. Мы показали, что это не так. Кристалл в основе своей мозаичен и неоднороден, а необычно широкие пограничные области, вероятно, противодействуют сверхпроводимости, а не просто соседствуют с ней», — отметил он. По его словам, это может объяснить, почему одни материалы работают лучше других, а также означает, что часть существующих измерений объёмных свойств придётся пересмотреть, а будущие теоретические модели должны учитывать такую структурную сложность. Открытие указывает на то, что внутренние границы могут активно мешать сверхпроводимости, а не просто сосуществовать с ней. Если это так, скрытые структурные различия помогут понять, почему некоторые сверхпроводящие материалы эффективнее остальных. Кроме того, некоторые прошлые эксперименты, особенно измерявшие общие свойства материалов, возможно, потребуют пересмотра, а новые теории должны будут учитывать сложное строение реальных кристаллов, а не считать их идеально однородными.
Исследователи предполагают, что похожие скрытые структурные картины могут быть широко распространены среди других купратных сверхпроводников. Не исключено, что они встречаются и в родственных материалах, которые изучают на предмет перехода в сверхпроводящее состояние при экстремальном давлении. Помимо пересмотра существующих теорий, работа демонстрирует возможности нового поколения методов визуализации. Точные измерения стали возможны благодаря недавней модернизации Европейской установки синхротронного излучения стоимостью 150 миллионов евро, которая обеспечивает исключительно интенсивные пучки рентгеновских лучей для детального изучения материалов. Теперь учёные могут исследовать трёхмерное внутреннее строение самых разных материалов с точностью, ранее недоступной. Выявляя, как скрытые атомные структуры влияют на поведение материала, этот метод может принести ценные знания всей науке о материалах. Для исследований сверхпроводимости последствия особенно важны: понимание того, как внутреннее строение кристаллов сказывается на электрических свойствах, со временем поможет найти способы улучшить сверхпроводящие материалы и приблизить создание более совершенных энергосистем, мощных магнитов, аппаратов медицинской визуализации и квантовых технологий.