Спаривание носителей заряда: шаг к разгадке природы высокотемпературной сверхпроводимости

Сотрудники кафедры физики твердого тела и наносистем Института ЛаПлаз НИЯУ МИФИ в составе международного научного коллектива впервые получили прямое экспериментальное доказательство явления спаривания носителей заряда в реальном пространстве в семействе высокотемпературных сверхпроводящих оксидов на основе соединения бария, висмута и кислорода (BaBiO₃₎ и выяснили природу аномальных свойств системы. Сделан еще один важный шаг в направлении разгадки природы высокотемпературной сверхпроводимости. Результаты исследования опубликованы в высокорейтинговом научном журнале Physical Review Research.

Несмотря на то, что высокотемпературная сверхпроводимость (ВТСП) была открыта Беднорсом и Мюллером в оксидной системе на основе меди еще в 1986 году, до сих пор нет единой теории, объясняющей комплекс аномальных свойств сверхпроводящих материалов. В то же время достигнуты колоссальные успехи в технологическом их применении. На их основе создаются длинномерные сверхпроводники, которые используются для получения сверхсильных магнитных полей, создания левитационных систем для транспорта, магнитно-резонансных томографов, ограничителей тока в высоковольтных линиях передач, различных электрических двигателей, индукционных накопителей энергии и других подобных устройств.

Семейство высокотемпературных сверхпроводящих оксидов на основе BaBiO₃ вошло в число высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) в 1988 г. после открытия подобного вещества с включением атомов калия Ba(К)BiO₃ с температурой перехода в сверхпроводящее состояние около 30кельвинов. Это вещество характеризовалось большим числом аномальных физических свойств, которые можно было объяснить, если предположить, что все носители заряда находятся в спаренном состоянии. Однако до сих пор эксперименты и расчеты лишь косвенно указывали на существование спаренных носителей заряда в BaBiO₃.

Профессор кафедры физики твердого тела и наносистем Института лазерных и плазменных технологий  НИЯУ МИФИ Алексей Менушенков более 20 лет назад предложил идею получения прямого доказательства существования локального спаривания электронов и дырок. Для этого потребовалось бы провести сложный эксперимент – лазерным импульсом через оптическую щель разрушить спаренное (двухчастичное) состояние вещества резонансным возбуждением и провести наблюдение за релаксацией (установлением равновесия) в одночастичной системе ансамбля свободных электронов.

Проведение такого эксперимента требовало уникального оборудования для возбуждения и наблюдения за состоянием системы с фемтосекундным разрешением. Это стало возможным после строительства около Гамбурга (Германия) с участием России Европейского рентгеновского лазера на свободных электронах EuXFEL.

В качестве основного экспериментального метода исследователи использовали рентгеновскую спектроскопию поглощения с временным разрешением tr-XAS в области мягкого рентгеновского излучения. Разрушение локальных пар электронов и дырок обеспечивалось резонансным возбуждением через оптическую щель импульсами оптического лазера с длиной волны 633 нанометров. Импульсы рентгеновского лазера позволяли снимать XAS спектры с различными временами задержки от 0.01 до 60 пикосекунд после возбуждения с фемтосекундным разрешением.

«Мы наблюдали сильные изменения XAS спектра, который интерпретировали как быстрое (< 0,3 пикосекунд) разрушение пар носителей заряда и более медленную (0,3 – 0,8 пикосекунд) перестройку решетки из искаженной моноклинной структуры в новое метастабильное состояние с идеальной кубической решеткой, сохраняющееся как минимум до 60 пикосекунд после возбуждения», - рассказал руководитель эксперимента Алексей Менушенков.

В результате эксперимента исследователи впервые в мире получили прямое доказательство существования спаривания носителей заряда в реальном пространстве в сверхповодящем оксиде на основе бария и и висмута_. Также впервые была экспериментально наблюдена трансформация электронного спектра из спаренного (двухчастичного) состояния системы в одночастичное состояние ансамбля свободных электронов.

«Мы выявили и объяснили механизм перехода системы в возбужденное метастабильное одночастичное состояние и установили, что спаривание носителей заряда определяет природу основных аномальных свойств системы. Именно спаривание носителей ответственно за локальные искажения решетки, а не наоборот, как, например, в биполяронных моделях», - пояснил ученый.

Высокотемпературные сверхпроводники на основе висмута и меди обладают похожими свойствами и одинаковой структурой, поэтому, по мнению авторов исследования, результаты уникального эксперимента дают новый импульс к пониманию природы высокотемпературной сверхпроводимости.

Работа выполнена в рамках Федеральной научно-технической программы развития синхротронных и нейтронных исследований и исследовательской инфраструктуры на 2019-2027 годы Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (Соглашение № 075-15- 2021-1352).