Avastati kõrgtemperatuurse ülijuhtivuse füüsikalisi tagamaid

Teadlased selgitasid, et kõrgtemperatuurne ülijuhtivus algab materjali ulatuses hajutatud nanolaikudena, mis levides kogu materjali ülijuhiks muudavad.

Cornelli Ülikooli ja Tokyo Ülikooli teadlaste avastus võimaldab paremini mõista keerulist pseudopotentsiaali tekkimise nähtust kõrgtemperatuursetes ülijuhtides. Tegemist võib olla olulise sammuga edasi kõrgtemperatuursete ülijuhtide arengus.

Cornelli Ülikooli teadlaste J.C. Séamus Davise, loodusteaduste professori J.G. White’i ja Tokyo Ülikooli füüsikaprofessori Hidenori Takagi juhtimisel jälgiti esimest korda skanneeriva tunnelmikroskoobi abil keemiliselt modifitseeritavas alusmaterjalis ülijuhtiva oleku tekkimist. Skanneerivad tunnelmikroskoobid on nii täpsed, et suudavad jälgida aatomituumi ümbritsevate elektronide kvantolekuid. Leiti, et võõraatomite lisamisel (dopeerimisel) tekkisid alusmaterjalis paralleelprotsessina väikesed üle materjali hajutatud ülijuhtivad piirkonnad, osad neist vaid mõne aatomi laiused. Laigud kasvasid puutumiseni ning katsid lõpuks kogu materjali, põhjustades selle ülijuhtivuse.

“Teoreetikud on meie jälgitud protsessi ennustanud, ent seni pole selle kohta otseseid tõendeid leitud,” ütles Davis. Teadustöö avaldati 20. mail teadusajakirjas Nature Physics.

Ülijuhtivus kätkeb muuhulgas elektrivoolu takisutseta kulgemist. Nähtus avastati esmalt pea absoluutse nulltemperatuurini (0 K) jahutatud metallides. Uus dopeeritud vaseoksiididel põhinev kupraatide materjaliklass muutub aga ülijuhtivaks juba 150,15 K juures.

Kõrgtemperatuursete ülijuhtide kaudsed vaatlused, ka skanneeriva tunnelmikroskoobiga, on näidanud ülijuhtivale olekule omaste elektronolekute puudumise kohtades energeetilise potentsiaalibarjääri tekkimist (energy gap). Teooria kohaselt tekib tühimik elektronide Cooperi paaride moodustumisel. Arvatakse, et Cooperi elektronpaarid suudavad ülijuhtivamaterjali struktuuri takistuseta läbida. On jäänud mõistmata asjaolu, et osades materjalides ilmneb potentsiaal, ent ilma ülijuhtiva olekuta. Sellist nähtust nimetatakse pseudopotentsiaaliks (pseudogap). Pseudopotentsiaal ilmneb kõrgemal temperatuuril kui mistahes ülijuhtivus, viidates toatemperatuursete ülijuhtide võimalikkusele.

Töö autorid uurisid naatriumiga dopeeritud kaltsiumkupraati. Oksiidi katsetükkide naatriumisisaldust suurendati järk-järgult. Naatrium asendab kristallvõres kaltsiumi aatomeid, põhjustades seeläbi kristall- ja elektronstruktuuri muutusi, mida senini eriti ei mõisteta. Kaltsiumkupraat valiti eelkõige hõlpsalt muudetava keemilise koostise tõttu, kommenteeris Davis. Ta lisas, et pseudo- ja ülijuhtiva oleku tekkimine on väga kiire, mis teeb protsessi raskesti vaadeldavaks.

Mõõdukal dopeerimisel avastati väikesed hajutatud paiknemisega pseudopotentsiaali signatuuriga piirkonnad. Lisaks täheldati nende piirkondade kristallstruktuuris vase ja hapniku aatomite elektronide struktuuris üles-alla ning paremalt-vasakule sihtides (!? spinn?) rikutud sümmeetriat. Davis ja kolleegid avastasid murtud sümmeetriat ka varasemates sama ülijuhiga läbi viidud mõõtmistes.

Dopeerituse kasvades laienesid ka nimetatud piirkonnad, kuni terve materjali ulatuses kokku puutusid ja selle ülijuhiks muutsid. Arvatakse, et pseudopotentsiaaliga piirkonnad tekivad dopeeritud aatomite läheduses, ent Davise sõnul seda tema uurimuses ei täheldatud.

Varem arvati, et pseudopotentsiaali faas konkureerib kupraatides ülijuhtiva faasiga. Lisaks arvati, et pseudopotentsiaali kadumine oli ülijuhtiva oleku tekketingimus. Uus teadustöö näitab aga, et tegemist on hoopis ülijuhtivust soosiva faasiga.

Allikas: phys.org