Физики стремятся создать высокотемпературный сверхпроводник, чтобы качественно изменить то, как человечество пользуется электричеством. Один из типов исследуемых соединений — никелаты, вещества, включающие в свою структуру оксид никеля. Никелат лантана (La3Ni2O7) становится сверхпроводящим при высоком давлении в объемной кристаллической форме и при механическом напряжении в форме тонкой пленки.
Международная группа физиков тщательно изучила, что происходит с атомной структурой соединения никеля, и показала, что небольшие изменения атомной структуры тесно связаны с проявлением сверхпроводящих свойств. Статья об этом опубликована в журнале Nature.
Для исследования тонкие пленки сформировали на разных подложках, чтобы проверить разные параметры механического напряжения. Команда выявила искажения атомной структуры веществ, используя комбинацию методов электронной микроскопии, включая электронную птихографию, разработанную Дэвидом Мюллером (David Muller). Именно эта техника позволила исследователям с высокой точностью рассмотреть положение атомов и изменение этих положений. Она основана на постобработке данных о дифракции излучения на объекте, данные о дифракции снимаются с разных точек так, чтобы результаты немного перекрывали друг друга.
Ученые узнали, что под действием сжимающего напряжения атомы кислорода перестраивались в конфигурацию с более высокой симметрией, чем в пленках, испытывающих растягивающее напряжение. Так связи в пленках принимают ту же конфигурацию, что и в сверхпроводящих объемных кристаллах под очень высоким давлением. Это говорит о том, что повышение симметрии в структуре никель — кислород может быть необходимым условием для стабилизации высокотемпературной сверхпроводимости в этих никелатах.
Исследователи также обнаружили увеличение длины вертикальной связи в сверхпроводящих тонких пленках, тогда как та же длина связи уменьшается в объемных сверхпроводящих кристаллах.
Чтобы понять, почему эти структурные изменения важны для электронных свойств материала, исследователи построили модель. Они обнаружили, что изменения длин связей вызывают изменения энергетических уровней системы, в то время как изменения симметрии значительно уменьшают смешивание между некоторыми электронными орбиталями. Это формирует более чистую электронную структуру, которая может помогать электронам объединяться в пары и течь без сопротивления.
Данные об атомных конфигурациях, связанных с появлением сверхпроводимости, помогут ученым точно настраивать материал и помогать ему проявлять сверхпроводящие свойства.