Bezprecedensowa szczelina energetyczna w wewnętrznych warstwach
Zespół z Uniwersytetu Hiroszima skupił się na badaniu wielowarstwowych struktur tlenku miedzi o bardzo niskim stężeniu tzw. dziur. To właśnie w tych wewnętrznych, niedodomieszkowanych płaszczyznach udało się zaobserwować nadprzewodzące zachowanie elektronów w temperaturach znacznie przekraczających standardową temperaturę przejścia dla całego materiału. Region ten zidentyfikowano jako metal węzłowy. Kluczowy jest rozmiar zaobserwowanego zjawiska. Szczelina energetyczna, która powstaje w stanie nadprzewodzącym, osiągnęła w tych wewnętrznych warstwach wartość od 80 do 100 milielektronowoltów. To największa taka wartość, jaką kiedykolwiek zmierzono w wysokotemperaturowych nadprzewodnikach kuprowych, co czyni obserwację wyjątkowo interesującą. Shin-ichiro Ideta z Uniwersytetu Hiroszima przyznaje, że pewna zagadka krążyła w środowisku od lat:
Empirycznie wiadomo, że temperatura przejścia jest maksymalizowana w systemie trójwarstwowym z trzema płaszczyznami tlenku miedzi. Jednak od dawna pozostaje tajemnicą, dlaczego najwyższa temperatura przejścia jest dostępna i jak zachowują się elektrony w tej temperaturze.
Czytaj też: Najgorętsze miejsce we wszechświecie… stworzone przez człowieka
Aby rozwikłać tę tajemnicę, badacze sięgnęli po zaawansowaną technikę spektroskopii fotoemisyjnej (ARPES), wykorzystującą promieniowanie synchrotronowe. Pozwoliło im to zajrzeć w głąb struktury elektronowej trójwarstwowego związku BiSrCaCuO i zmapować ją w różnych warunkach termicznych.
Zagadkę najwyższej temperatury przejścia tłumaczy efekt bliskości
Odpowiedź na pytanie, dlaczego akurat struktury trójwarstwowe biją rekordy temperatur, w których znikają opory, leży w interakcji między warstwami. Mechanizm nazywany efektem bliskości działa pomiędzy dwiema zewnętrznymi, optymalnie domieszkowanymi płaszczyznami a jedną wewnętrzną. Ten efekt nie tylko wywołuje stan nadprzewodzący poniżej krytycznej temperatury, ale – co kluczowe – stabilizuje stan metalu węzłowego nawet wtedy, gdy materiał jest ogrzany do około półtorakrotności tej wartości. W praktyce, w badanych próbkach, węzeł punktowy utrzymywał się aż do 100 kelwinów (-173°C), podczas gdy pełne nadprzewodnictwo występowało do około 67 K (-206°C). Ideta widzi w tym istotny postęp:
To może wyjaśniać, dlaczego trójwarstwowe nadprzewodniki kupratowe wykazują najwyższą temperaturę przejścia nadprzewodzącego spośród innych nadprzewodników kupratowych. Jest to duży postęp w naszym zrozumieniu mechanizmu wysokotemperaturowego nadprzewodnictwa kupratów.
Odkrycie metalu węzłowego i roli efektu bliskości daje konkretny kierunek dla kolejnych prac. Badacze sugerują, że gdyby udało się stworzyć materiał złożony wyłącznie z warstw przypominających te wewnętrzne, niedodomieszkowane płaszczyzny, moglibyśmy zbliżyć się do nadprzewodnictwa w znacznie wyższych temperaturach. Zaobserwowana gigantyczna szczelina energetyczna jest tutaj ważną wskazówką. W stanie metalu węzłowego zaobserwowano także symetrię między elektronami a dziurami oraz fluktuacje parowania, które utrzymywały się na wysokim poziomie energetycznym. To sugeruje, że nawet przy bardzo małej liczbie nośników prądu w materiale, pewne „przygotowania” do nadprzewodzenia zachodzą na długo przed właściwym przejściem fazowym. Czy to oznacza, że nadprzewodnik działający w temperaturze pokojowej jest za rogiem? Raczej nie. Pokazuje to jednak, że zrozumienie skomplikowanych interakcji w materiałach warstwowych jest kluczowe.