Сверхпроводимость без давления: никелаты поймали щель экспресс
Переполненный стадион: болельщики мечутся хаотично, создавая толчею и сопротивление. Так ведут себя электроны в обычном проводнике. При сверхпроводимости они объединяются в пары и движутся синхронно — как зрители, взявшиеся за руки и спокойно покидающие трибуны, без потерь энергии. Долгое время считалось, что для такой дисциплины нужен сильный холод и особые материалы вроде купратов. Недавно сверхпроводимость нашли в никелатах — соединениях никеля, похожих по структуре на слоёный пирог, — но она требовала высокого давления. Теперь же исследователи вырастили тонкую плёнку никелата (La,Pr)₃Ni₂O₇ на подложке из SrLaAlO₄ и добились сверхпроводимости при обычном атмосферном давлении.
Сканирующий туннельный микроскоп — устройство, которое ощупывает поверхность острейшей иглой, снимая карту электронных состояний, — позволил заглянуть в самое сердце явления. При температуре ниже 40 Кельвинов (минус 233 °C) в спектре электронов проступила характерная U-образная щель с плоским дном — энергетический провал без остаточной плотности состояний. В толпе болельщиков вдруг образовался пустой коридор, по которому пары электронов скользят без помех. Форма щели показывает, что спаривание происходит без узлов — энергетическая брешь одинакова во всех направлениях, словно круглая площадь, свободная от препятствий.
При нагревании U-образная щель плавно заполнялась и превращалась в V-образную — электроны постепенно возвращались в хаотичное состояние. Магнитное поле в 14 Тесла (примерно в 300 тысяч раз сильнее магнита на холодильнике) заставило щель сузиться, подтверждая её сверхпроводящую природу. Измерения сопротивления на том же образце показали нулевое сопротивление ниже 20 К, а начало перехода — выше 40 К. Так впервые удалось напрямую увидеть энергетическую щель в никелатном сверхпроводнике без высокого давления. Она оказалась удивительно симметричной и устойчивой. Это открытие подсвечивает природу высокотемпературной сверхпроводимости и намекает на возможность локальной сверхпроводимости при температурах, сравнимых с жидким азотом, в никелатах при обычных условиях.
Сканирующий туннельный микроскоп может «видеть» отдельные атомы: его игла настолько остра, что на кончике находится всего один атом, а туннельный ток между иглой и образцом меняется при прохождении над каждым атомом поверхности.
В романе Артура Кларка «Фонтаны рая» сверхпроводящие кабели удерживают космический лифт — если никелаты станут сверхпроводниками при комнатной температуре, такая конструкция перестанет быть фантастикой.