Физики впервые визуализировали квантовый процесс в сверхпроводнике, который искали 30 лет

Сверхпроводники — это материалы, способные проводить электрический ток без сопротивления и потерь энергии. Однако большинство из них работают лишь при температурах, близких к абсолютному нулю. Исключение составляют купраты — соединения на основе оксида меди, которые становятся сверхпроводниками при гораздо более высоких температурах. Создание единой теории этого явления остается одной из нерешенных задач физики твердого тела.

Дырки и синглеты Чжана — Райса

Ученые десятилетиями пытались понять, как купрат перестает быть изолятором и начинает проводить ток. Этот процесс запускается при добавлении в структуру материала «дырок» — пустых мест, где отсутствует электрон. Еще в конце 1980-х годов теоретики предсказали, что такая дырка должна образовывать прочную квантовую связь с соседним атомом меди. Эту структуру назвали синглетом Чжана — Райса, и до сих пор она оставалась лишь математическим конструктом.

Команда физиков под руководством профессора Сколтеха Артема Оганова и его коллег решила изучить именно этот переходный процесс. Они выбрали для исследования кристалл на основе меди, кальция, кислорода и хлора (CCOC). Этот материал отличается простой и чистой структурой поверхности, что делает его идеальным для сканирующей туннельной микроскопии.

Как увидели квантовую структуру

Исследователи шаг за шагом заменяли атомы кальция на атомы натрия, внедряя таким образом в кристалл дырки. На каждом этапе они сканировали поверхность с атомарным разрешением при температурах от –268 до –196 °С. Измерения показали, что изолированная дырка действительно формирует четырехлопастную структуру в форме клевера — тот самый синглет Чжана — Райса. Впервые эта теоретическая модель получила экспериментальное подтверждение в реальном пространстве.

По мере роста концентрации натрия ученые обнаружили новый эффект. Синглеты не просто скапливались в кристалле, а начинали спонтанно объединяться, формируя протяженные структуры. Физики назвали их «электронными молекулами». В микроскоп эти молекулы выглядели как четкие полосы и лесенки. Дальнейшее добавление дырок приводило к тому, что полосы плотно упаковывались в узор, напоминающий шахматную доску. Именно в этот момент в материале возникали условия для сверхпроводимости.

Значение открытия

Авторы исследования подчеркнули, что их модель «электронных молекул» хорошо описывает локальную картину. Но для создания полной теории высокотемпературной сверхпроводимости потребуются дальнейшие проверки с помощью других спектроскопических методов. Тем не менее, ученым удалось запечатлеть недостающее звено в физике купратов: они показали, как добавленные заряды самоорганизуются в сложные молекулярные структуры, которые становятся каркасом для сверхпроводимости. В будущем это поможет физикам понять квантовый механизм явления и синтезировать материалы, проводящие ток при еще более высоких температурах.