Несмотря на четверть века исследований, причины формирования как самой ВСТО, так и сопутствующих ей явлений (вроде псевдощели) остаются не до конца прояснёнными. Но есть надежда на изменение ситуации…

Новое исследование так называемой псевдощели в высокотемпературных сверхпроводниках предсказывает возможность сосуществования в одном материале при определённых условиях двух возможных порядков расположения электронов, что и позволяет им ниже конкретной температуры не вполне стандартным образом терять электрическое сопротивление.

В сверхпроводящем состоянии в нормальных сверхпроводниках электроны путешествуют по кристаллической решётке материала в так называемых куперовских парах (единые квантовые системы из пары электронов). Чтобы пара распалась на два свободных электрона (состояние, при котором нет сверхпроводимости), нужно определённое количество энергии.

Рис. 1. Квадрупольный порядок: каждый атом меди (серые шарики) имеет квадрупольный момент. Все вместе они формируют шахматный порядок, где отдельные «клетки» различаются ориентацией положительно и отрицательно заряженных участков (зелёные участки — положительные заряды слева и справа, серые участки — положительные заряды сверху и снизу). На границах условных «зелёных» и «серых» областей поверхности знаки меняются. (Илл. Konstantin Efetov et al).

Разница между энергией куперовской пары электронов и свободными электронами называется, как все помнят, запрещённой зоной (энергетической щелью; далее просто «щель»); это область значений энергии, которыми не может обладать электрон в данной кристаллической решётке. В купратных сверхпроводниках сходная запрещённая зона возникает при некоторых обстоятельствах и при температуре, выше критической, — и это так называемая псведощель сверхпроводимости.

Что характерно, псевдощель «воспринимается только электронами с определёнными направлениями скоростей».

Модель, разработанная группой европейских учёных под руководством Константина Борисовича Ефетова из Рурского университета в Бохуме (Германия), утверждает, что

сверхпроводник в псевдощелевом состоянии может характеризоваться двумя типами расположения электронов одновременно: они могут быть на диффузной атомной орбитали (d-орбитали), в которой электроны куперовских пар вращаются друг вокруг друга, образуя подобие четырёхлистного листа клевера, или упорядочены по квадрупольной волне плотности.

Последняя суть особая электростатическая структура, в которой каждый атом меди в двумерной кристаллической решётке имеет квадрупольный момент, то есть два противоположных региона отрицательного заряда и два противоположных региона положительного заряда. В псевдощелевом состоянии d-орбитали и квадрупольные волны плотности конкурируют друг с другом. Из-за тепловых флуктуаций, связанных с относительно высокой для сверхпроводника температурой псевдощелевого состояния, ни одна из этих систем не может «победить» и вытеснить «конкурента». Если же материал охладить, тепловые флуктуации ослабеют, и одна из систем возобладает, что будет означать наступление сверхпроводимости для электронов всех параметров.

Правда, в отличие от металлических сверхпроводников, благодаря такой конкуренции критическая температура для купратов и керамических сверхпроводников вообще наступает при значительно более высокой температуре (превышающей 100 К).

Как подчеркивают авторы, из их выводов следует, что квантовый фазовый переход, сейчас трактуемый как одномоментное явление, в реальном случае двумерной кристаллической решётки вполне может быть более сложным процессом, при котором d-орбитальный порядок расположения электронов некоторое время способен сосуществовать с квадрупольным в состоянии квантовой суперпозиции.

Понимание природы псевдощели может, полагают учёные, существенно продвинуть нас в понимании факторов, ограничивающих эффективность высокотемпературных сверхпроводников, и способствовать росту их параметров в будущем.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Nature Physics.