Исследователи получили возможность непосредственно наблюдать квантовые образования, являющиеся фундаментом высокотемпературной сверхпроводимости. Проведенное исследование восполнило длительный разрыв в понимании связи между поведением отдельных частиц и формированием сверхпроводящего тока, продемонстрировав, как отдельные электронные вакансии внутри кристаллической решетки объединяются, образуя квазиодномерные структуры.

Сверхпроводники – это вещества, обладающие свойством пропускать электрический ток без потерь энергии и сопротивления. Традиционные сверхпроводники функционируют только при температурах, близких к абсолютному нулю; однако существуют материалы, такие как купраты (соединения на основе меди), которые демонстрируют сверхпроводимость при существенно более высоких значениях температуры. Разработка всеобъемлющей теории этого явления остается одной из ключевых нерешенных проблем в физике твердого тела.

На протяжении многих лет ученые стремились выяснить механизм, посредством которого купрат переходит от состояния изолятора к проводнику электричества. Этот переход инициируется внедрением «дырок» – мест отсутствия электрона – в структуру материала. Еще в конце 1980-х годов теоретические расчеты указали на возможность формирования прочной квантовой связи между такой дыркой и соседним атомом меди, что привело к образованию структуры, получившей название синглет Чжана — Райса; до недавнего времени она существовала лишь в виде математической модели.

Группа китайских ученых предприняла попытку детального исследования именно этого переходного этапа. Результаты своих исследований они опубликовали в журнале Nature Physics.

Для проведения анализа специалисты остановились на кристалле, состав которого включает медь, кальций, кислород и хлор (CCOC). Данный образец характеризуется весьма простой структурой поверхности и высокой степенью чистоты, что делает его оптимальным для использования в сканирующей туннельной микроскопии.

В процессе работы ученые постепенно заменяли атомы кальция на атомы натрия, таким образом создавая в кристаллической решетке дефекты – дырки. На каждом этапе проводилось изучение поверхности с беспрецедентным атомным разрешением при температурах от минус 268 до минус 196 градусов Цельсия.

Полученные данные свидетельствуют о том, что одиночная дырка действительно формирует структуру из четырех «лепестков», напоминающую клевер – так называемый синглет Чжана-Райса. Авторы публикации впервые предоставили экспериментальное доказательство существования этой теоретической модели в реальном физическом пространстве.

С увеличением количества натрия в образце исследователи выявили неожиданное свойство. Вместо простого накопления одиночных частиц в кристаллической решетке, они начали самопроизвольно группироваться, образуя протяженные соединения. Специалисты из области физики дали этим образованиям название «электронные комплексы».

При рассмотревании под микроскопом эти структуры представлялись собой отчетливые линии и переплетения. Продолжение процесса добавления дефекций приводило к тому, что полосы плотно располагались друг относительно друга, создавая рисунок, схожий с шахматной доской. Как раз в этот период времени в веществе появлялась возможность для проявления сверхпроводящих свойств.

Исследователи отметили, что их концепция «электронных молекул» достаточно точно отображает локальные процессы. Однако для разработки комплексной теории высокотемпературной сверхпроводимости необходимы дополнительные исследования с применением иных спектроскопических подходов.

В конечном итоге исследователям удалось зафиксировать упущенное звено в изучении купратов. Они продемонстрировали, как введенные заряды самостоятельно упорядочиваются в сложные молекулярные образования, которые служат основой для сверхпроводимости. В перспективе это позволит физикам разобраться с квантовыми аспектами этого явления и создавать материалы, способные проводить электрический ток при более высоких температурах.