Физики «прислушались» к электрическому шуму, чтобы разгадать тайну высокотемпературных сверхпроводников
Исследователи из Мюнхена и Утрехта измерили дробовой шум тока в купратном сверхпроводнике и нашли свидетельства того, что электронные пары образуются при более высоких температурах, чем те, при которых материал становится сверхпроводящим. Результат указывает, что препятствие — согласованное движение пар, а не их образование.
Группа физиков под руководством Милана Аллана (Milan Allan) из Мюнхенского университета Людвига–Максимилиана в Германии и Ингмара Сварта (Ingmar Swart) из Утрехтского университета в Нидерландах опубликовала в журнале Science исследование о высокотемпературных сверхпроводниках. Сверхпроводники проводят ток без сопротивления, но большинство из них работает лишь при температурах на несколько градусов выше абсолютного нуля. В конце 1980-х годов обнаружили медьсодержащие материалы — купраты, — которые сверхпроводят при температурах, достижимых с помощью недорогого жидкого азота. Спустя почти 40 лет учёные по-прежнему не согласны, почему так происходит.
Недостающие электроны
В центре загадки находится состояние, называемое псевдощелью. Выше температуры, при которой купраты становятся сверхпроводящими, часть электронов словно исчезает: измерения фиксируют их намного меньше при тех энергиях, где они должны быть. Есть два основных объяснения. Первое: электроны «застывают» в определённых структурах, например в волнах зарядовой плотности, а сверхпроводимость возникает отдельно. Второе тесно связывает явление со сверхпроводимостью: электроны образуют пары, так называемые куперовские, которые переносят ток в сверхпроводнике.
Прослушивание шума
Команда измеряла дробовой шум — мельчайшие флуктуации, вызванные приходом отдельных зарядов в токе. Парные электроны создают больше шума. С помощью сканирующего туннельного микроскопа исследователи изучали кристаллы купрата BSCCO, охлаждённые до нескольких градусов выше абсолютного нуля. Добиться достаточной чувствительности прибора удалось примерно за четыре года.
Дополнительный шум начинал расти именно при энергии локальной псевдощели — в каждой исследованной точке и в образцах разного химического состава. В магнитных полях до шести тесла, подавляющих образование пар, шум снижался до уровня одиночных электронов, как и ожидалось, если причина в парах.
Что это значит
Измеренная энергия спаривания заметно выше температуры, при которой материал сверхпроводит. По словам Свarta, сначала возникают предварительно сформированные пары, а фазовая когерентность, то есть согласованное движение пар, наступает лишь при более низких температурах. Аллан считает, что это может позволить повысить критическую температуру, но оба исследователя предупреждают: всё будет не так просто. Эксперимент не исключает связи замороженных структур со спариванием, а метод теряет чувствительность при нагреве, поэтому исследовать область выше температуры сверхпроводимости пока не удалось.
