За последнюю четверть века, ученые обнаружили несколько материалов, которые могут быть преобразованы из материалов со свойствами, например металла, изолятора магнитного поля, в материалы со свойствами сверхпроводника, обладающие нулевым сопротивлением электрическому току. Такие материалы открывают путь для развития совершенно нового типа электроники, способной передавать информацию или хранить энергию без потерь.

До настоящего времени одним из ключевых моментов, кроме низкой температуры, для получения сверхпроводящих материалов была необходимость, замены некоторых атомов кристаллической решетки вещества, на другие атомы. До сих пор считалось, что этот процесс, называемый допингом, просто добавляет больше электронов или других носителей заряда, и создает, тем самым, более благоприятные условия для образования пар электронов, которые могут двигаться без потери энергии при определенных низких температурах.

Новые исследования сверхпроводников на основе железа показали, что происходящие процессы намного сложнее.

Работу проводила международная команда ученых. В ней принимали участие специалисты из Брукхейвенской национальной лаборатории энергетики США совместно с учеными Корнельского университета. Их исследование, опубликованное 17-го февраля 2013 года в «Nature Physics», показывает, что допинг, в дополнение к добавлению электронов, сильно меняет электронную структуру исходного материала на атомном уровне, что приводит к существенным изменениям в поведении электронов, ответственных за проводимость.

Суть в том, что атомы легирующей примеси вызывают появление удлиненных неоднородностей, которые рассеивают электроны в материале ассиметричным способом, что в свою очередь позволяет объяснить большинство необычных свойств материала. Ведущий автор исследования, Сиамус Дэвис (J.C. Séamus Davis), именно так объяснил суть открытия. Дэвис — руководитель Центра Сверхпроводимости в Брукхейвенской национальной лаборатории и одновременно Профессор физики в Корнельском университете. «Наши результаты дают новую отправную точку для теоретиков, которые пытаются понять физику происходящих процессов, и возможно укажут новые пути создания сверхпроводников с улучшенными свойствами», — сказал он.

Исследователи использовали метод, разработанный Дэвисом, и называемый спектроскопическим сканированием изображения с помощью туннельного микроскопа для визуализации электронных свойств атомов примеси исходного материала. При рассмотрении под микроскопом применяласькомпьютерная помощь и с помощью этого метода они следили, как рассеиваются электроны вокруг этих примесей, в частности в опытах использовался кобальт.

Исследования показали, что некоторые электронные свойства не сверхпроводящих материалов имеют сильную зависимость от направленности — например, электроны могут двигаться более легко в одном направлении через кристалл, и намного хуже в перпендикулярном направлении. Зависимость от направления появлялась только, когда ученые добавляли примесь в материал, и она была тем сильнее, чем больше примесей добавляли.

Такое несимметричное поведение напоминает распространение ряби по воде, от длинной палки, брошенной в пруд, когда возникающие волны не распространяются по кругу. Ученые утверждают, что если они поймут, как влияют атомы примеси на исходный материал, то, возможно, им удастся получить сверхпроводники с улучшенными свойствами.

Источник