Давняя мечта физиков твердого тела – полностью понять явление сверхпроводимости – по сути, электронная проводимость без сопротивления, которое создает тепло и отводит энергию. Он откроет новый мир невероятно эффективных и мощных устройств и уже используется в японском экспериментальном сверхскоростном экспрессе с магнитной левитацией. Но в этой сложной теме есть что исследовать, и она часто удивляет исследователей неожиданными результатами и наблюдениями.
Профессор Шик Шин из Института физики твердого тела Токийского университета и его команда изучают поведение электронов в сверхпроводящих материалах на основе железа, или IBSCs.
Эти материалы являются многообещающими, поскольку они могут работать при более высоких температурах, чем некоторые другие сверхпроводящие материалы, что является важной проблемой. Они также используют менее экзотические материалы, поэтому работать с ними проще и дешевле. Чтобы активировать сверхпроводящую способность образца, материал необходимо охладить до нескольких сотен градусов ниже нуля.
И в процессе охлаждения происходят интересные вещи.
«По мере того, как IBSC остывают до определенного уровня, они выражают состояние, которое мы называем электронной нематичностью», – сказал Шин. «Здесь кристаллическая решетка материала и электроны внутри нее, кажется, расположены по-разному в зависимости от угла, под которым вы смотрите на них, иначе известная как анизотропия. Мы ожидаем, что способ расположения электронов будет тесно связан с тем, как устроена окружающая кристаллическая решетка.
Но наше недавнее наблюдение показывает совсем другое и на самом деле довольно удивительное."
Шин и его команда использовали специальную технику, разработанную их группой, под названием лазер-PEEM (фотоэмиссионная электронная микроскопия) для визуализации своего образца IBSC в микроскопическом масштабе. Они ожидали увидеть знакомую картину, повторяющуюся каждые несколько нанометров (миллиардных долей метра). И, конечно же, кристаллическая решетка действительно показывала этот образец.
Но, к своему удивлению, команда обнаружила, что электронная структура повторяется каждые несколько сотен нанометров.
Это несоответствие между волной нематичности электронов и кристаллической структурой IBSC было неожиданным, поэтому его последствия все еще исследуются.
Но результат может открыть дверь для теоретических и экспериментальных исследований чего-то фундаментального для явления сверхпроводимости, а именно того, как электроны образуют пары при низких температурах. Знание этого процесса может иметь решающее значение для развития высокотемпературной сверхпроводимости. Итак, если волны нематичности связаны, важно знать, как.
«Затем, я надеюсь, мы сможем работать с физиками-теоретиками, чтобы углубить наше понимание волн нематичности», – сказал Шин. «Мы также хотим использовать лазер-PEEM для изучения других связанных материалов, таких как оксиды металлов, такие как оксид меди. Может быть не всегда очевидно, где находятся приложения, но работа над проблемами фундаментальной физики действительно увлекает меня."