Американские физики из Мичиганского университета предложили объяснение того, почему возникает явление сверхпроводимости. Ученые предполагают, что механизм основан на взаимодействиях между электронами и их спинами. Две работы опубликованы в журналах Nature Physics и PNAS.
Сверхпроводники — это материалы, электрическое сопротивление которых равно нулю при температуре ниже определенного значения. Особенно интересны высокотемпературные сверхпроводники, которые проявляют это свойство при комнатной температуре. Сверхпроводники находят множество применений, начиная от электроники и транспорта и заканчивая биомедициной и специализированным медицинским оборудованием. Однако механизм сверхпроводимости до сих пор не до конца ясен. В 1966 году была предложена теория, согласно которой в сверхпроводниках содержатся электроны со спинами разных направлений. Эти электроны связываются между собой и образуют так называемую куперовскую пару, в результате чего ток может проходить через материал без сопротивления.
Американские исследователи попытались более подробно объяснить механизм возникновения сверхпроводимости на примере материала из оксида меди. Так как электроны обладают одинаковым зарядом, они отталкиваются друг от друга. Но согласно введенной в 1966 году теории, из-за сильных квантовых эффектов это отталкивание «поглощается» кристаллом, благодаря чему электроны испытывают притяжение и связываются между собой. Однако эта теория не объясняет появление самих квантовых эффектов. С помощью суперкомпьютеров ученые описали сверхпроводник на основе оксида меди по методу динамических кластеров. В этом методе электроны и изменение их спинов рассчитываются совместно, благодаря чему ученые могут количественно оценить взаимодействие между электронами и их спинами. Для этого исследователи также рассчитывали магнитную восприимчивость спинов электронов в участках материала со сверхпроводящими свойствами. Расчеты показали, что явление сверхпроводимости действительно может быть объяснено спиновыми флуктуациями, как предлагалось в старой теории. Однако это объясняет механизм лишь наполовину.
Физики продолжили изучать упрощенную модель кристалла оксида меди. Его допировали атомами стронция. При допировании изменяется общий заряд слоев кристаллической решетки. По мере увеличения числа атомов стронция сверхпроводимость может повышаться, но при определенном количестве атомов она и вовсе сводится на нет. Соответственно, ученые сделали вывод о том, что явление сверхпроводимости объясняется флуктуациями не только спина, но и заряда.
В дальнейшем ученые планируют понять, помогут ли полученные ими результаты предсказать вид спектров отраженного света в сверхпроводниках. Также исследователи надеются, что их работа поможет физикам лучше понять механизм сверхпроводимости. По их мнению, это приведет к разработке более эффективных сверхпроводников.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
