Материал, который проводит электрический ток без сопротивления, может иметь ограничения, связанные с его собственной структурой, что ставит под сомнение 40-летние представления о сверхпроводниках на основе меди.

Кристалл, который, по мнению ученых, имеет одинаковую структуру по всему объему, на самом деле представляет собой сочетание двух слегка различающихся структур атомов. Границы между этими областями в сотни раз шире, чем ожидалось, — настолько широкие, что ведут себя почти как самостоятельная структура, а не просто как разделительная линия.

Материал относится к семейству купратов — сверхпроводников на основе меди, которые могут проводить электрический ток без сопротивления при необычно высоких для сверхпроводимости температурах, хотя эти температуры все равно очень низкие. Высокотемпературная сверхпроводимость лежит в основе исследований, связанных с будущими электросетями, медицинскими сканерами и квантовыми компьютерами. Кроме того, она открывает перспективы для создания магнитов гораздо большей мощности, чем те, что возможны сегодня.

Рентгеновские лучи позволяют увидеть внутренние структуры кристалла

Чтобы изучить внутреннюю структуру кристалла, исследователи с химического факультета Уорикского университета работали с Европейским центром синхротронного излучения (European Synchrotron Radiation Facility, ESRF) во Франции. Они использовали сканирующую 3D-дифракцию рентгеновских лучей — метод, который чем-то похож на медицинскую компьютерную томографию, но позволяет составить карту расположения атомов внутри кристалла. Это позволило команде впервые получить трехмерное изображение внутренней структуры материала и выявить структурные различия по всему его объему. Исследование было опубликовано в журнале Physical Review Letters.

3D-рентгеновская реконструкция купратного сверхпроводника

Трехмерная рентгеновская реконструкция, показывающая области с разной кристаллической структурой в купратном сверхпроводящем материале 214. Темные области имеют ожидаемую структуру, а более светлые — другую. Ширина пограничных областей между ними составляет примерно 150 нм. Фото: профессор Марк Сенн / Уорикский университет

Благодаря недавней модернизации Европейского рентгеновского лазера на свободных электронах стоимостью 150 миллионов евро этот метод стал возможен. Исследователи считают, что этот метод применим не только к сверхпроводникам, но и к широкому спектру материалов в трех измерениях, что позволит ученым изучать их с ранее недоступным уровнем детализации и исследовать, как внутренняя структура материалов влияет на их поведение.

Границы кристаллов могут препятствовать сверхпроводимости

Исследователи в области сверхпроводимости предполагают, что эта скрытая структурная сложность характерна для всего семейства купратов. Она также может проявляться в родственных материалах, которые исследуются на предмет сверхпроводимости при экстремальном давлении.

Профессор Марк Сенн с химического факультета Уорикского университета, возглавлявший исследование, сказал: «На протяжении 40 лет считалось, что эти материалы однородны по всей толщине, и почти вся теория строилась на этом предположении. Мы показали, что это не так. Кристалл по своей структуре неоднороден и текстурирован, с необычно широкими пограничными областями, которые, скорее всего, препятствуют сверхпроводимости, а не просто сосуществуют с ней».

«Это может объяснить, почему одни материалы работают лучше других, и означает, что некоторые существующие измерения необходимо будет интерпретировать по-новому, а в будущих теоретических моделях учесть эту структурную сложность».