На первый взгляд, город из кварталов выглядит упорядоченным, но его ритм задают не сами улицы, а дома, которые стоят на них. В купратах, слоистых оксидах меди, долгое время видели загадочную периодичность в восемь элементарных ячеек (8a0) — как будто улицы выстроились с шагом 8. Но новое исследование показывает: улицы лишь пустоты между домами, а дома — это плакетки размером 4a0×4a0, где собираются допированные дырки.

Учёные из Университета Цинхуа и Института физики Китайской академии наук использовали сканирующую туннельную микроскопию, чтобы рассмотреть поверхность кристалла Ca2CuO2Cl2 с атомной точностью. Они меняли количество добавленных дырок (допирование) и получили три образца: сверхпроводник с p = 0.10 и два изолятора с p = 0.05 и p = 0.03. На картах электронной плотности при напряжениях от 10 до 150 мВ проступали яркие пятна размером 4a0×4a0, разделённые тёмными промежутками примерно такой же ширины. Фурье-анализ этих карт выявил два пика: на волновых векторах q ≈ 1/4 и q ≈ 1/8 (в единицах 2π/a0), что соответствует реальным периодам 4a0 и 8a0.

Чтобы понять, как из блоков 4a0 рождается период 8a0, исследователи построили минимальную модель жёстких плакеток и прогнали её методом Монте-Карло. Оказалось, что если дырки собираются в квадраты 4a0×4a0, а покрытие поверхности неполное, то плакетки чередуются с пустотами размером около 4a0. Такая самосборка автоматически создаёт периодичность 8a0: дом, улица, дом, улица. Модель воспроизвела оба фурье-пика, подтвердив, что 8a0 — это пространственная субгармоника плакеточного порядка, а не самостоятельный параметр.

Раньше спорили, является ли волна парной плотности первичным порядком в купратах. Теперь ясно: фундаментальный строительный блок — это молекулярная орбиталь размером 4a0×4a0, содержащая примерно две дырки. Эти блоки складываются в узор, как дома вдоль улицы, и именно их расположение порождает все наблюдаемые модуляции. Такой взгляд смещает акцент с импульсного пространства на реальное пространство и предлагает единое объяснение для множества экспериментов.

Город из кварталов оказался не хаотичным скоплением улиц, а закономерной застройкой из одинаковых домов. Восьмиячеечная модуляция, которая десятилетиями интриговала физиков, теперь предстаёт как тень более глубокого порядка — молекулярных орбиталей, собирающихся в плакетки. И если удастся понять, как именно дырки образуют эти блоки, возможно, откроется путь к разгадке механизма высокотемпературной сверхпроводимости.