Американские исследователи нашли первое доказательство того, что разработанная десятилетия назад модель поведения материала может быть использована для моделирования и понимания высокотемпературной сверхпроводимости. Статья об этом появилась в журнале Science.

В области исследования сверхпроводимости самой главной целью ученых является повышение температуры, при которой материал начинает обладать нулевым сопротивлением. Идеальный вариант — это материалы, проводящие ток без потерь при комнатной температуре и атмосферном давлении. Самым большим препятствием для целенаправленного создания таких материалов было отсутствие модели — математического представления того, как ведет себя система, — которая описывает этот тип сверхпроводимости.

Ученые полагают, что модель Хаббарда, используемая в течение десятилетий для представления поведения электронов в многочисленных материалах, могла бы применяться к купратным (на основе меди, от которых и пошло их название) высокотемпературным сверхпроводникам, но до сих пор у них не было доказательств этого. Наблюдать соответствие математическим предсказаниям удалось ученым из Стэнфордского университета и Национальной ускорительной лаборатории SLAC.

Исследование было сосредоточено на взаимодействии между двумя фазами, которые, как известно, существуют в купратах, — высокотемпературной сверхпроводимостью и зарядовыми полосами, которые похожи на чередование волн высокой и низкой электронной плотности в материале. Связь между этими состояниями не ясна, и некоторые исследования предполагают, что зарядовые полосы способствуют сверхпроводимости, а другие предполагают, что они конкурируют с ней.

Для анализа этого явления ученые создали на квадратной решетке виртуальную версию купрата, похожую на проволочную изгородь с квадратными отверстиями. Атомы меди и кислорода ограничены плоскостями в реальном материале, но в модели они становятся едиными, виртуальными атомами, которые сидят на каждом из пересечений, где встречаются «провода». Каждый из этих виртуальных атомов может вместить не более двух электронов, которые могут свободно перепрыгивать либо к соседним атомам, либо находящимся по диагонали от них.

После того как исследователи использовали алгоритм группы перенормировки матрицы плотности для моделирования этой системы, они обнаружили, что изменения в паттернах прыжков электронов оказали заметное влияние на взаимосвязь между полосами заряда и сверхпроводимостью. Когда электроны прыгали только к своим ближайшим соседям, картина зарядовых полос становилась сильнее и сверхпроводящее состояние никогда не появлялось. Когда электронам было позволено прыгать по диагонали, зарядовые полосы в конце концов ослабли, но не исчезли и сверхпроводящее состояние появилось.

«Теперь у нас есть полностью работающая модель, которая описывает высокотемпературную сверхпроводимость, по крайней мере для систем тех размеров, которые мы можем изучать, и это большой шаг вперед», — отмечает один из авторов работы, директор Стэнфордского института материаловедения и энергетики при SLAC Томас Деверо.