Сверхпроводящие материалы могут проводить электричество без сопротивления, но обычно только при очень низких температурах. Реализация сверхпроводимости при комнатной температуре могла бы привести к созданию передовой энергоэффективной электроники и других технологий.
Международная исследовательская группа сделала первый шаг к такому достижению. Учёные впервые наблюдали особое электронное состояние, известное как «узловой металл», которое даёт более глубокое понимание поведения электронов при разных температурах в многослойной системе, состоящей из меди и кислорода.
Результаты опубликованы в Nature Communications.
Команда, в которую входят исследователи из Японии, Тайваня и Соединённых Штатов, опубликовала свои результаты в Nature Communications.
«Сверхпроводимость возникает, когда носители — либо дырки, либо электроны — легируются в двумерную плоскость оксида меди», — сказал соавтор исследования Синъитиро Идеда, доцент Научно-исследовательского института синхротронного излучения при университете Хиросимы.
Это легирование означает введение дефектов в систему, которыми затем можно управлять для достижения желаемого поведения в рамках определённых параметров.
Многослойная система оксида меди демонстрирует разные температуры перехода в зависимости от количества слоёв оксида меди. Она может претерпевать значительные физические переходы, включая переход в сверхпроводящее состояние, состояние странного металла и другие.
«Эмпирически известно, что температура перехода максимальна в трёхслойной системе с тремя плоскостями оксида меди», — сказал Идеда.
«Однако до сих пор оставалось загадкой, почему доступна самая высокая температура перехода и как ведут себя электроны при такой температуре».
Чтобы определить, как разные уровни легирования влияют на поведение электронов при различных температурах перехода, исследователи использовали метод анализа, называемый спектроскопией с высоким разрешением, угловым разрешением и фотоэмиссией с использованием синхротронного излучения.
Для возбуждения электронов в образце материала исследователи использовали интенсивные пучки фотонов, полученные на синхротроне или ускорителе частиц. В данном случае использовалась трёхслойная купратная система, или система оксида меди.
Исследователи могут измерить, как перемещаются возбуждённые электроны, раскрывая электронную зонную структуру материала — взаимосвязь между энергией и импульсом электронов. Они также могут напрямую измерить энергетический зазор: когда материал становится сверхпроводящим, его электронная структура демонстрирует своего рода энергетический барьер, известный как сверхпроводящий энергетический зазор, который удерживает электроны стабильными и предотвращает их лёгкое возбуждение.
«Удивительно, но мы обнаружили, что сверхпроводящие электроны существуют при температурах, намного превышающих температуру перехода, во внутренних плоскостях оксида меди с очень низкой концентрацией дырок», — сказал Идеда, объясняя, что эта область с низким легированием и высокой сверхпроводимостью является «узловым металлом», который может показать, как ещё более высокие температуры перехода могут индуцировать сверхпроводящие электроны.
«Кроме того, сверхпроводящий энергетический зазор, который служит доказательством сверхпроводимости в системе, значительно больше, чем в обычных сверхпроводниках».
Этот узловой металл показал, что сверхпроводимость стабилизируется за счёт «эффекта близости» между двумя внешними и одной внутренней плоскостями оксида меди, по словам Идеда.
«Это причина, по которой трёхслойные купратные сверхпроводники демонстрируют самую высокую температуру перехода по сравнению с другими купратными сверхпроводниками», — сказал Идеда.
«Это крупный шаг вперёд в нашем понимании механизма высокотемпературной купратной сверхпроводимости. В частности, ожидается, что формирование сверхпроводящих электронов при высоких температурах даст важные указания для разработки и прикладных исследований материалов с высокими температурами перехода в сверхпроводящее состояние».
Новый подход к применению термодинамики к микроскопическим квантовым системам
Исследователи из Базельского университета разработали новый подход к применению термодинамики к микроскопическим квантовым системам.
В 1798 году офицер и физик Бенджамин Томпсон (он же граф Румфорд) наблюдал за сверлением пушечных стволов в Мюнхене и пришёл к выводу, что тепло — это не вещество, а может быть создано в неограниченном количестве за счёт механического трения.
Румфорд определил количество тепла, выделившегося при погружении пушечных стволов в воду и измерении времени, необходимого для достижения водой точки кипения. На основе таких экспериментов в XIX веке была разработана термодинамика. Первоначально она служила целям промышленной революции и объясняла, например, как тепло может быть эффективно преобразовано в полезную работу в паровых машинах.
Сегодня законы термодинамики являются частью базовых знаний всех учёных-естественников: полная энергия — сумма тепла и работы — в замкнутой системе остаётся постоянной, а беспорядок, или энтропия, никогда не уменьшается.
Эти законы в целом верны, но при попытке применить их к мельчайшим квантовым системам быстро возникают трудности. Команда исследователей из Базельского университета под руководством профессора Патрика Потта нашла новый способ определения термодинамических величин для некоторых квантовых систем.
Их результаты были опубликованы в Physical Review Letters.
«Проблема, с которой мы сталкиваемся при термодинамическом описании квантовых систем, заключается в том, что в таких системах всё микроскопично. Это означает, что различие между работой, которая является полезной макроскопической энергией, и теплом, или неупорядоченным микроскопическим движением, больше не является однозначным», — объясняет докторант Аарон Даниэль.
В качестве примера Даниэль и его коллеги рассмотрели так называемые резонаторы в полости, в которых падающий лазерный свет отражается между двумя зеркалами и в конечном итоге частично выходит из резонатора.
В отличие от света обычной лампочки или светодиода, лазерный свет обладает особым свойством: все его электромагнитные волны колеблются точно в фазе. Однако, если лазерный свет проходит через полость, заполненную атомами, эта фаза — также называемая когерентностью — может быть нарушена в большей или меньшей степени.
В этом случае свет становится частично или полностью некогерентным (что соответствует неупорядоченному движению частиц). «Когерентность света в такой системе с лазерным резонатором была отправной точкой наших расчётов», — говорит Макс Шраувен, студент бакалавриата, участвующий в проекте.
Исследователи впервые определили, что они подразумевают под «работой» в контексте лазерного света: например, способность заряжать так называемую квантовую батарею. Для этого требуется когерентный свет, который может возбудить ансамбль атомов.
Для простоты можно предположить, что когерентный лазерный свет, входящий в полость, способен совершать работу, в то время как частично некогерентный лазерный свет, выходящий из полости, — нет. В этом случае свет, выходящий из полости, следует называть «теплом».
Однако даже частично некогерентный свет в принципе может совершать некоторую полезную работу — просто меньшую, чем полностью когерентный свет. Даниэль и его коллеги исследовали, что происходит, когда когерентная часть выходящего света считается работой, а только некогерентная часть — теплом.
Результат: если работа определяется таким образом, оба закона термодинамики выполняются, и, следовательно, подход является последовательным. «В будущем мы можем использовать наш формализм для рассмотрения более тонких проблем в квантовой термодинамике», — говорит Даниэль.
Это актуально, например, для приложений в квантовых технологиях, таких как квантовые сети. Кроме того, таким образом можно даже лучше исследовать переход от классического к квантовому поведению макроскопических систем.