«Сверхпроводимость возникает, когда носители заряда — дырки или электроны — легируются в двумерном оксиде меди», — пояснил соавтор Синъитиро Идета из Хиросимского университета, один из исследователей.

Легирование подразумевает введение дефектов в систему, которыми затем можно манипулировать для достижения желаемого поведения в пределах заданных параметров. Сверхпроводники на основе оксида меди представляют собой многослойную систему, которая демонстрирует различные температуры перехода в зависимости от количества слоев оксида меди. Они способны претерпевать значительные физические переходы, включая переход в сверхпроводящее состояние.

В прошлом ученые установили опытным путем, что температура перехода достигает максимального значения в системе с тремя слоями оксида меди. Однако почему это так и как электроны ведут себя при этой температуре, долгое время оставалось загадкой, пишет EurekAlert.

Для того чтобы определить, как различные уровни легирования влияют на поведение электронов при различных температурах перехода, исследователи использовали метод фотоэмиссионной спектроскопии с разрешением по углу и синхротронным излучением. Интенсивные пучки фотонов, генерируемые синхротроном, используются для возбуждения электронов в образце материала — в данном случае, в трехслойной системе купрата. Исследователи могут измерять движение возбужденных электронов, выявляя электронную зонную структуру материала — взаимосвязь между энергией и импульсом электронов. Они также могут напрямую измерять ширину энергетической щели: когда материал становится сверхпроводящим, его электронная структура образует своего рода энергетический барьер, известный как сверхпроводящая энергетическая щель, который поддерживает электроны в стабильном состоянии и препятствует их легкому возбуждению.

«К нашему удивлению, мы обнаружили, что сверхпроводящие электроны существуют при температурах, значительно превышающих температуру перехода во внутренних плоскостях оксида меди с очень низкой концентрацией дырок», — сказал Идета, пояснив, что эта область с низким легированием и высокой сверхпроводимостью является «узловым металлом», который может продемонстрировать, как даже более высокие температуры перехода могут индуцировать сверхпроводящие электроны.

Более того, сверхпроводящая энергетическая щель, свидетельствующая о сверхпроводимости в этой системе, значительно больше, чем в обычных сверхпроводниках, заявили исследователи.

Таким образом, этот узловой металл указывает на то, что сверхпроводимость стабилизируется «эффектом близости» между двумя внешними и одним внутренним слоями оксида меди. Именно поэтому трехслойные купратные сверхпроводники демонстрируют самую высокую температуру перехода в сверхпроводящее состояние по сравнению с другими купратными сверхпроводниками.

Недавно международной команде ученых впервые удалось изготовить сверхпроводящий германий, использовав молекулярно-лучевую эпитаксию для точного внедрения атомов галлия. Это открытие может привести к появлению энергоэффективных квантовых устройств и криогенной электроники.