Одним из основных ограничений для реального применения этой технологии является то, что материалы, которые делают возможной сверхпроводимость, обычно должны находиться при чрезвычайно низких температурах, чтобы достичь такого уровня электрической эффективности. Чтобы обойти этот предел, исследователям необходимо составить четкое представление о том, как выглядят различные сверхпроводящие материалы в атомном масштабе, когда они переходят из разных состояний вещества в сверхпроводники.

Ученые из лаборатории Университета Брауна, работая с международной командой ученых, продвинулись на небольшой шаг ближе к разгадке этой тайны для недавно открытого семейства сверхпроводящих металлов Кагоме. В новом исследовании они использовали инновационную новую стратегию, сочетающую ядерно-магнитно-резонансную томографию и теорию квантового моделирования, чтобы описать микроскопическую структуру этого сверхпроводника при температуре 103 градуса Кельвина, что эквивалентно примерно 275 градусам ниже 0 градусов по Фаренгейту.

Исследователи описали свойства этого причудливого состояния материи, как полагают, впервые в Исследование физического обзора. В конечном счете, полученные результаты представляют собой новое достижение в неуклонном продвижении к сверхпроводникам, работающим при более высоких температурах. Сверхпроводники, которые могут работать при комнатной температуре (или близкой к ней), считаются святым граалем физики конденсированных сред из-за огромных технологических возможностей, которые они открыли бы в области энергоэффективности, в том числе в области передачи электроэнергии, транспорта и квантовых вычислений.

"Если вы когда-нибудь собираетесь что-то сконструировать и сделать это коммерческим, вам нужно знать, как этим управлять", - сказала профессор физики Брауна Весна Митрович, которая возглавляет группу ЯМР конденсированных сред в университете и является соавтором нового исследования. "Как мы можем это описать? Как нам настроить это так, чтобы мы получили то, что хотим? Что ж, первый шаг в этом заключается в том, что вам нужно знать, каковы эти состояния микроскопически. Вам нужно начать строить полную картину этого".

Новое исследование сосредоточено на сверхпроводнике RbV3Sb5, который изготовлен из металлов рубидий-ванадий и сурьма. Материал получил свое название из-за своей своеобразной атомной структуры, которая напоминает плетеный узор, состоящий из соединенных между собой треугольников в форме звезды. Материалы Kagome завораживают исследователей благодаря тому, что они дают представление о квантовых явлениях, соединяя две наиболее фундаментальные области физики - топологическую квантовую физику и физику конденсированных сред.

Предыдущие работы разных групп установили, что этот материал проходит через каскад различных фазовых переходов при понижении температуры, образуя различные состояния вещества с различными экзотическими свойствами. Когда этот материал нагревается до 103 градусов Кельвина, структура решетки изменяется, и материал демонстрирует так называемую волну плотности заряда, при которой плотность электрического заряда скачет вверх и вниз. Понимание этих скачков важно для разработки теорий, описывающих поведение электронов в квантовых материалах, таких как сверхпроводники.

Чего раньше не было замечено в этом типе металла Кагоме, так это того, как выглядела физическая структура этой решетки и порядок заряда при температуре, на которую смотрели исследователи, а это самое высокое температурное состояние, при котором металл начинает переходить из разных состояний вещества.

Используя новую стратегию, сочетающую измерения ЯМР и теорию моделирования, известную как теория функционала плотности, которая используется для моделирования электрической структуры и положения атомов, команда смогла описать новую структуру, в которую превращается решетка, и ее волну плотности заряда.

Они показали, что структура переходит от узора 2x2x1 с фирменным узором "Звезда Давида" к узору 2x2x2. Это происходит потому, что решетка Кагоме переворачивается сама на себя, когда температура становится чрезвычайно низкой. Исследователи показали, что новая решетка, в которую он переходит, состоит в основном из отдельных шестиугольников и треугольников. Они также показали, как этот паттерн соединяется, когда они берут одну плоскость структуры RbV3Sb5 и поворачивают ее, `вглядываясь" в нее под другим углом.

"Как будто эта единственная Кагоме теперь становится этими сложными вещами, которые разделяются надвое", - Митрови? сказал. "Это растягивает решетку так, что Кагоме становится комбинацией шестиугольников и треугольников в одной плоскости, а затем в следующей плоскости снова, после того, как вы повернете ее на полкруга, все повторяется".

По словам исследователей, исследование этой атомной структуры является необходимым шагом для получения полного представления об экзотических состояниях вещества, в которые переходит этот сверхпроводящий материал. Они полагают, что полученные результаты приведут к дальнейшему выяснению того, может ли это образование и его свойства способствовать сверхпроводимости или это то, что следует подавить, чтобы создать более совершенные сверхпроводники. Новая уникальная методика, которую они использовали, также позволит исследователям ответить на совершенно новый набор вопросов.

"Теперь мы знаем, что это такое, и наша следующая задача - выяснить, какова связь с другими причудливыми фазами при низкой температуре - помогает ли это, конкурирует ли, можем ли мы это контролировать, можем ли мы заставить это происходить при более высоких температурах, если это полезно?" Митрови? сказал. "Далее мы продолжаем снижать температуру и узнаем больше".

Экспериментальным исследованием руководили Джонатан Фрассинети, совместный аспирант Брауна и Болонского университета, Пьетро Бонфа из Пармского университета и два студента Брауна: Эрик Гарсия и Ронг Конг. Теоретической работой руководил Бонфа, в то время как все материалы были синтезированы в Калифорнийском университете в Санта-Барбаре. Это исследование финансировалось Национальным научным фондом.