В этом состоянии электрический заряд может проходить через материал бесконечно, что делает сверхпроводники ценным ресурсом для передачи больших объемов электроэнергии и других применений. Сверхпроводники доставляют электричество между Лонг-Айлендом и Манхэттеном. Они используются в медицинских устройствах визуализации, таких как аппараты магнитно-резонансной томографии, в ускорителях частиц и в магнитах, таких как те, которые используются в поездах на магнитной подвеске. Даже неожиданные материалы, такие как некоторые керамические материалы, могут стать сверхпроводниками при достаточном охлаждении.

Но ученые ранее не понимали, что происходит в материале, чтобы сделать его сверхпроводником. В частности, ранее не было понято, как работает высокотемпературная сверхпроводимость, которая возникает в некоторых материалах на основе оксида меди. Теория 1966 года, исследующая другой тип сверхпроводников, утверждала, что электроны, которые вращаются в противоположных направлениях, связываются вместе, образуя так называемую куперовскую пару, и позволяют электрическому току свободно проходить через материал.

Пара исследований, проведенных под руководством Мичиганского университета, изучили, как работает сверхпроводимость, и обнаружили в первой статье, что около 50% сверхпроводимости можно отнести к теории 1966 года, но реальность, рассмотренная во второй статье, немного сложнее. Исследования, проведенные недавним выпускником докторантуры U-M Синьян Донгом и физиком U-M Эмануэлем Галлом, опубликованы в Физика природы и Труды Национальной академии наук.

Электронам, плавающим в кристалле, нужно что-то, чтобы связать их вместе, сказал Галл. Как только у вас есть два электрона, связанных вместе, они создают сверхпроводящее состояние. Но что связывает эти электроны вместе? Электроны обычно отталкиваются друг от друга, но теория 1966 года предполагала, что в кристалле с сильными квантовыми эффектами электрон-электронное отталкивание экранируется или поглощается кристаллами.

В то время как отталкивание электронов поглощается кристаллом, противоположное притяжение возникает из-за вращающихся свойств электронов - и заставляет электроны связываться в куперовские пары. Это лежит в основе отсутствия электронного сопротивления. Однако теория не учитывает сложные квантовые эффекты в этих кристаллах.

"Это очень простая теория, и, вы знаете, она существует уже давно. По сути, это было теоретическое послание 1980-х, 1990-х и 2000-х годов", - сказал Галл. "Вы могли бы записать эти теории, но на самом деле ничего не смогли бы рассчитать - если бы вы захотели, вам пришлось бы решать квантовые системы, которые имеют много степеней свободы. И теперь мой аспирант написал коды, которые делают именно это".

Для статьи, опубликованной в Физика природы Донг проверил эту теорию, используя суперкомпьютеры, чтобы применить так называемый метод динамических кластеров к сверхпроводнику на основе оксида меди. В этом методе электроны и флуктуации их спина вычисляются вместе, что позволяет исследователям провести количественный анализ взаимодействий между электронами и их спином.

Чтобы сделать это, Донг заглянул в области, где материал становится сверхпроводником, и исследовал основную величину спиновых колебаний, называемую магнитной спиновой восприимчивостью. Она рассчитала восприимчивость и вычислила регион и вместе с Галлом и Эндрю Миллсом, физиком из Колумбийского университета, проанализировала регион.

Обладая такой спиновой восприимчивостью, исследователи могли бы проверить предсказание простой теории спиновых флуктуаций. Они обнаружили, что эта теория согласуется с активностью сверхпроводимости - примерно на 50%. То есть около половины сверхпроводимости материала можно объяснить с помощью теории флуктуаций.

"Это большой результат, потому что, с одной стороны, мы показали, что эта теория работает, но также и то, что на самом деле она не отражает всего происходящего", - сказал Галл. "Вопрос, конечно, в том, что происходит с другой половиной, и это то место, где теоретические основы 1960-х годов были слишком простыми".

В статье, опубликованной в PNAS, Галл и Донг исследовали эту другую половину. Они вернулись, чтобы изучить электронные системы в рамках упрощенной модели сверхпроводящего кристалла. В этом кристалле оксида меди имеются слои связей медь-кислород. Атомы меди образуют квадратную решетку, и в такой конфигурации каждому атому не хватает одного электрона.

Когда физики добавляют к материалу такой элемент, как стронций, который будет делиться электроном с медно-кислородным слоем, материал становится проводником. В этом случае стронций называется атомом легирующей примеси. Изначально, чем больше носителей заряда вы добавите, тем более сверхпроводящим станет материал. Но если вы добавите слишком много носителей заряда, свойство сверхпроводимости исчезнет.

Вглядываясь в этот материал, Галл и его соавторы исследовали не только спин электронов, но и флуктуации их заряда.

Галл говорит, что колебания, которые удобны для понимания системы, проявляются двумя способами: первый заключается в том, что сигнал находится в одной точке импульса, а второй - в том, что сигнал имеет низкую частоту. Низкочастотное возбуждение с одним импульсом означает наличие долгоживущего возбуждения, которое помогает исследователям увидеть и описать систему.

Исследователи обнаружили, что антиферромагнитные флуктуации - когда электроны вращаются в противоположном направлении - составляют большую часть сверхпроводимости. Однако они также видели ферромагнитные флуктуации, которые противодействовали антиферромагнитным флуктуациям, что в конечном итоге вернуло их к 50%-ному результату.

"Когда у вас сложная многоэлектронная система со множеством квантовых частиц, нет причин, по которым должна быть простая картина, которая все объясняет", - сказал Галл. "На самом деле, мы с удивлением обнаруживаем, что сценарий, подобный теории 1966 года, действительно охватывает довольно много материала - но не все".

Галл говорит, что следующие шаги будут заключаться в том, чтобы выяснить, могут ли их результаты помочь им предсказать определенные виды спектров или отраженный свет, участвующий в сверхпроводниках. Он также надеется, что полученные результаты позволят физикам понять, как работают сверхпроводники, и, опираясь на эти знания, разработать более совершенные сверхпроводники.