Обычная сверхпроводимость
Сверхпроводимость – это удивительное явление, при котором ниже так называемой критической температуры материал теряет все свое сопротивление электрическим токам.
В некоторых материалах при низких температурах все электроны запутываются в одном макроскопическом квантовом состоянии, что означает, что они больше не ведут себя как отдельные частицы, а как коллектив, что приводит к сверхпроводимости. Общая теория такого коллективного поведения электронов известна давно, но одно семейство материалов, купраты, отказывается соответствовать парадигме. Они также обладают самыми высокими температурами перехода в сверхпроводящее состояние при атмосферном давлении, о которых известно. Долгое время считалось, что для этих материалов механизм «склеивания» электронов должен быть особым, но в последнее время внимание сместилось, и теперь физики исследуют несверхпроводящие состояния купратов, надеясь найти ключ к разгадке происхождения высокотемпературных состояний. сверхпроводимость и ее отличие от обычных сверхпроводников.
Высокотемпературная сверхпроводимость
Большинство сверхпроводников при нагревании до превышения своей критической температуры превращаются в «обычные» металлы.
Квантовая запутанность, которая вызывает коллективное поведение электронов, исчезает, и электроны начинают вести себя как обычный “ газ ” заряженных частиц.
Однако купраты особенные. Во-первых, как упоминалось выше, потому что их критическая температура значительно выше, чем у других сверхпроводников. Во-вторых, они обладают очень особыми измеряемыми свойствами даже в своей «металлической фазе».
В 2009 году физик профессор Найджел Хасси и его сотрудники экспериментально наблюдали, что электроны в этих материалах образуют структуру нового типа, отличную от структуры обычных металлов, тем самым установив новую парадигму, которую ученые теперь называют «странным металлом». В частности, было обнаружено, что удельное сопротивление при низких температурах пропорционально температуре, а не в особой точке на диаграмме зависимости температуры от легирования (как ожидалось для металла, близкого к критической точке магнитного кванта), а в расширенном диапазоне допирования. Эта расширенная критичность стала определяющей чертой фазы «странного металла», из которой возникает сверхпроводимость в купратах.
Магнитосопротивление в странном металле
В первом из этих новых отчетов научный сотрудник EPSRC Джейкс Эйрес и аспирант Маартен Бербен (из HFML-FELIX в Неймегене, Нидерланды) изучали магнитосопротивление – изменение удельного сопротивления в магнитном поле – и обнаружили кое-что неожиданное.
Было обнаружено, что в отличие от отклика обычных металлов, магнитосопротивление следует своеобразному отклику, в котором магнитное поле и температура появляются в квадратуре. Такое поведение ранее наблюдалось только в сингулярной квантовой критической точке, но здесь, как и в случае сопротивления в нулевом поле, квадратурная форма магнитосопротивления наблюдалась в расширенном диапазоне допирования. Более того, сила магнитосопротивления оказалась на два порядка больше, чем ожидалось при обычном орбитальном движении, и нечувствительна к уровню беспорядка в материале, а также к направлению магнитного поля относительно электрического тока.
Эти особенности данных в сочетании с квадратурным масштабированием подразумевали, что происхождение этого необычного магнитосопротивления было не когерентным орбитальным движением обычных металлических носителей, а скорее неорбитальным, некогерентным движением от другого типа носителя, энергия которого была рассеивается с максимальной скоростью, разрешенной квантовой механикой.
От максимального к минимальному рассеянию
Профессор Хасси сказал: «Принимая во внимание более ранние измерения эффекта Холла, мы получили убедительные доказательства существования двух различных типов носителей в купратах – одного обычного, другого« странного ». Тогда ключевой вопрос заключался в том, какой тип отвечает за высокотемпературную сверхпроводимость? Наша команда во главе с Матией ?Затем Уло и Кейтлин Даффи сравнили эволюцию плотности обычных носителей в нормальном состоянии и плотности пар в сверхпроводящем состоянии и пришли к удивительному выводу; что сверхпроводящее состояние в купратах на самом деле состоит из тех экзотических носителей, которые подвергаются такой максимальной диссипации в металлическом состоянии. Это далеко от первоначальной теории сверхпроводимости и предполагает, что необходима совершенно новая парадигма, в которой странный металл занимает центральное место."