Вчені з Університету науки і технологій Китаю помітили конкурентну поведінку між хвилею зарядової густини і надпровідністю у феромагнетику. Поки із підвищенням тиску росла надпровідність, хвиля зарядової густини очікувано пригнічувалася, однак надалі підвищуючи тиск, фізики помітили несподіване придушення надпровідності. Згодом критична температура переходу знову зросла. Дослідження такої несподіваної двопікової поведінки вчені опублікували у Nature Communications.
Зображенням металу у формі кагоме, виготовленого із шарів атомів заліза та олова, що розташовані у повторюваному візерунку гратки кагоме / Felice Frankel
Що за хвилі зарядової густини?
Явище надпровідності описує здатність матеріалу проводити струм із нульовим опором. Поки у нас немає точної теорії, яка б пояснила усі особливості цього процесу, як-то високотемпературна надпровідність. Однак одна з моделей — теорія Бардіна-Купера-Шріфера (БКШ) — говорить нам, що електрони припиняють стикатися з атомами кристалічної решітки і втрачати струм завдяки тому, що об'єднуються в пари. Детальніше про цю модель Nauka.ua розповідала у матеріалі «Суперфізика та надмеханізми». Тобто надпровідність є наслідком об'єднання електронів провідності в єдиний квантово-механічний стан і належить до явища електрон-фононного зв'язку — взаємодії електронів з квантами коливань кристалічної решітки.
Однак, ще одним наслідком електрон-фононного зв'язку є хвилі зарядової густини. Це нерухомі хвилі, що описують впорядковане розміщення скупчень електронів у надпровіднику та з'являються через явище корпускулярного-хвильового дуалізму, тобто поведінки електрона і як частинки, і як хвилі. Хвилі зарядової густини виникають у деяких кристалах за низьких температур та змінюють розподіл зарядової густини в кристалі — так він не повністю перебудовується, тобто не переживає фазового переходу, але набуває надструктури, яка періодично спотворюється. Тобто виходить так, що періоди цих хвиль пов'язані не з параметрами решітки, а із взаємодією між іонами та електронами. Таким чином співіснування цього явища з надпровідністю ставить дослідників у глухий кут, оскільки ці хвилі мають опиратися парам електронів, які вільно рухаються і тим самим визначають надпровідність.
Як хвилі зарядової густини пов'язані із надпровідністю?
Надпровідність часто бачили поруч із хвилями зарядової густини, однак взаємодія між порядком хвилі та рухом електронів досі не відома. Наприклад, надпровідний диселенід титану набуває максимального значення критичної температури, за якої він починає проводити струм без опору, коли хвилі зарядової густини пригнічуються. Але експерименти з дисульфідом танталу та диселенідом ніобію не показали залежності надпровідності від порядку хвиль.
Що зробили вчені?
Провідні властивості матеріалів визначають незвичайні структури енергетичних зон, а зокрема, поява конусів Дірака, де валентна зона і зона провідності набувають форми верхньої і нижньої половин конічної поверхні та перетинаються у діраківських точках. Більше про ці структури можна почитати у нашій новині про графеновий «сендвіч», у якому ці точки посунули. Так-от подібні структури виникають не лише у гексагональних кристалах графену, а і у в квазідвомірних системах — тривимірних кристалах, де окремі шари атомів вишиковуються у двовимірні решітки. Одними з таких є матеріали з решіткою кагоме, де атоми металу розташовані у вигляді решітки, що нагадує японський візерунок плетіння кошиків кагоме.
Крім своїх топологічних властивостей, у них також знаходили і надпровідність. У своїй роботі вчені використали монокристал з цезію та стибію, який за температури 2,7 кельвіна (-270,45 градуса Цельсію) набуває надпровідних властивостей. Під час експерименту вчені докладали до нього високий тиск від 0,7 (точка P1) гектопаскаля до двох гектопаскаль (точка P2) та помітили несподівану конкуренцію між хвилями зарядової густини та надпровідністю.
Як поводилися надпровідність і хвилі?
У першій точці, коли вчені підвищили тиск у діамантових ковадлах до 0,7 гектопаскаля, хвилі зарядової густини очікувано були пригнічені, через що надпровідність посилилася. І така конкуренція між станом хвилі зарядової густини та надпровідності не є дивною, адже тиск збільшить щільність поверхні Фермі, що у рамках теорії БКШ посприяє надпровідності. Однак, остання несподівано почала придушуватися зі збільшенням тиску до 1,1 гектопаскаля, а потім критична температура переходу знову почала рости, а хвилі повністю зникли у другій точці із тиском у два гектопаскалі. Причому критична температура зросла до восьми кельвінів (-265,15 градуса Цельсію), що втричі вище за критичну температуру матеріалу за атмосферному тиску. Вона стала рекордно високою для матеріалів з решіткою кагоме.
Так вчені побачили не звичний куполоподібний графік, де залежно від тиску змінювалася б і критична температура, а графік з двома піками у точках P1 і P2. Причому придушення критичної температури на P1 супроводжується швидким загасанням квантових коливань, раптовим збільшенням залишкового опору і швидким зменшенням магнітоопору. З подальшим збільшенням тиску до 12 гектопаскалів, критична температура монотонно пригнічується і повністю зникає. За словами вчених, побачену поведінку не можна пояснити ефектами від збільшення тиску, бо надпровідний перехід на P2 надто різкий, що вказує на те, що таким зовнішнім ефектом можна знехтувати.
Графік залежності порядку хвилі зарядової густини, який мали б побачити вчені. S. Gerber et al. / Science, 2015
Графік, який вони отримали — хвилі зарядової густини поступово знижуються зі збільшенням тиску, а у P2 різко росте критична температура переходу. Колір всередині фази хвилі представляє величину магнітоопору, виміряну при тиску у 9 Тесла і температурі у 10 кельвінів. F. H. Yu et al. / Nature Communications, 2021
Чому це відбувається?
Такий двопіковий графік залежності критичної температури від тиску вже спостерігали у деяких надпровідниках, що на думку вчених, може бути спільною рисою для надпровідників з конкуруючими хвилями зарядової густини. Однак, в експерименті вчених другий пік надпровідності на графіку з'являється при повному придушенні порядку хвилі зарядової густини, а максимум критичної температури знаходиться у кінцевій його точці, що доводить конкуренцію між надпровідністю і хвилями.
Найбільш цікавим відкриттям в цій роботі є область між P1 і P2, в якій ці два явища активно «змагаються», що призводить до різкого падіння критичної температури. Оскільки це супроводжувалося згасанням квантових коливань решітки, вчені вважають, що це могла бути поява нового стану хвилі. У майбутньому вони планують повторити експеримент, застосувавши спектроскопію.
Крім того, їхня робота демонструє, що критичну температуру переходу матеріалу кагоме до надпровідного стану можна легко налаштовувати та підвищувати — на думку дослідників, вона може рости і надалі, якщо застосувати інші матеріали або додаткові електричні імпульси для придушення хвиль зарядової густини.