Сверхпроводники — это материалы, способные пропускать электричество без сопротивления и потерь энергии. Обычные сверхпроводники работают только при температурах, близких к абсолютному нулю. Однако существуют материалы, например купраты (соединения на основе оксида меди), которые становятся сверхпроводниками при гораздо более высоких температурах. Создание единой теории этого явления остается одной из нерешенных задач физики твердого тела.
Ученые десятилетиями пытались понять, как именно купрат перестает быть изолятором и начинает проводить ток. Этот процесс запускается при добавлении в структуру материала «дырок» — пустых мест, где отсутствует электрон. Еще в конце 1980-х годов теоретики предсказали, что такая дырка должна образовывать прочную квантовую связь с соседним атомом меди. Эту структуру назвали синглетом Чжана — Райса, и она оставалась исключительно математическим конструктом.
Команда китайских физиков решила изучить именно этот переходный процесс. Результаты своей работы они опубликовали в журнале Nature Physics.
Ученые выбрали для исследования кристалл на основе меди, кальция, кислорода и хлора (CCOC). Этот материал имеет очень простую и чистую структуру поверхности, идеально подходящую для сканирующей туннельной микроскопии.
Исследователи шаг за шагом заменяли атомы кальция на атомы натрия, тем самым внедряя в кристалл дырки. На каждом этапе сканировали поверхность с атомарным разрешением при температурах от –268 до –196 °С.
Измерения показали, что изолированная дырка действительно формирует четырехлопастную структуру в форме клевера — тот самый синглет Чжана — Райса. Авторы научной работы впервые получили экспериментальное подтверждение этой теоретической модели в реальном пространстве.
По мере роста концентрации натрия ученые обнаружили новый эффект. Синглеты не просто скапливались в кристалле, а начинали спонтанно объединяться, формируя протяженные структуры. Физики назвали их «электронными молекулами».
В микроскоп эти молекулы выглядели как четкие полосы и лесенки. Дальнейшее добавление дырок приводило к тому, что полосы плотно упаковывались в узор, напоминающий шахматную доску. Именно в этот момент в материале возникали условия для сверхпроводимости.
Авторы исследования подчеркнули, что их модель «электронных молекул» хорошо описывает локальную картину. Но для создания полной теории высокотемпературной сверхпроводимости потребуются дальнейшие проверки с помощью других спектроскопических методов.
В итоге ученые запечатлели недостающее звено в физике купратов. Они показали, как добавленные заряды самоорганизуются в сложные молекулярные структуры, которые становятся каркасом для сверхпроводимости. В будущем это поможет физикам понять квантовый механизм явления и синтезировать материалы, проводящие ток при еще более высоких температурах.