40 лет физики могли считать материал однороднее, чем он есть
Группа исследователей построила трехмерную карту внутренней структуры купратного сверхпроводника La1,675Eu0,2Sr0,125CuO4 и обнаружила неоднородную структуру там, где многие физические модели предполагали однородный кристалл. Измерения на синхротроне ESRF во Франции выявили внутри материала протяженные области с разным расположением атомов, способные влиять на сверхпроводимость и заставить физиков иначе интерпретировать часть прежних экспериментов.
Материал относится к купратам, соединениям на основе оксидов меди, в которых сверхпроводимость возникает при значительно более высокой температуре, чем во многих классических сверхпроводниках, хотя по бытовым меркам кристаллы по-прежнему приходится сильно охлаждать. Внутри купратов атомы образуют слоистую решетку, а окружающие медь кислородные октаэдры CuO6 могут наклоняться по-разному. Небольшая перестройка меняет симметрию кристалла и одновременно влияет на поведение электронов.
Авторы изучили купрат с легированием одна восьмая, особенно интересную для физиков область состава, где трехмерная сверхпроводимость ослабевает, а упорядочение электрических зарядов становится заметнее. При комнатной температуре, около 300 K или 27 °C, кристалл номинально имеет низкотемпературную орторомбическую структуру. При охлаждении примерно до 160 K, около −113 °C, материал переходит в низкотемпературную тетрагональную фазу с другой схемой наклона кислородных октаэдров.
Разглядеть внутреннее устройство удалось с помощью сканирующей трехмерной рентгеновской дифракции. Образец перемещали и поворачивали в рентгеновском пучке, а по дифракционной картине восстанавливали пространственное распределение деформаций кристаллической решетки. Метод работает в некотором смысле как томография, только вместо формы органов показывает различия в расположении атомов внутри кристалла. Пространственное разрешение реконструкции достигало как минимум 70 нм.
При 300 K исследователи увидели внутри формально орторомбического кристалла широкие прослойки с признаками тетрагональной структуры. Толщина подобных границ составляла около 150 нм, а соседние области располагались на расстоянии примерно 0,5–2 мкм друг от друга. Для обычной доменной стенки, то есть границы между участками кристалла с разной ориентацией решетки, подобная ширина необычно велика. Вместо почти резкого перехода образуется целая промежуточная область, где направление наклона кислородных октаэдров постепенно меняется.
После охлаждения до 100 K, примерно −173 °C, картина изменилась. Основная часть образца приобрела тетрагональную структуру, но внутри сохранились тонкие полосы с орторомбическими признаками размером около 100–200 нм. Регулярное расположение полос и анализ деформаций указывают, что неоднородность возникает из самой кристаллической структуры, а не из случайного распределения химических примесей.
Подобные детали важны из-за тесной связи между строением решетки и движением электронов в купратах. В тетрагональной фазе наклоны октаэдров помогают закреплять так называемые полосы заряда, периодические области повышенной и пониженной электронной плотности. Между соседними слоями направление полос поворачивается на 90°, из-за чего согласованное движение сверхпроводящего тока между слоями может нарушаться. Орторомбические участки, напротив, потенциально способны сохранять локальные пути для сверхпроводимости. Авторы подчеркивают, что эксперимент измерял структуру кристалла, а не пространственное распределение сверхпроводящего тока, поэтому прямую причинную связь еще предстоит проверить.
Признаки сложного строения появлялись и раньше. В 2022 году рентгеновские измерения уже показали сосуществование фаз в подобных купратах даже при 10 K. Однако усредняющие методы дифракции не позволяли увидеть, как отдельные области расположены внутри объемного образца. Новая трехмерная реконструкция показывает, что некоторые сигналы, которые раньше можно было принять за наличие двух отдельных фаз, способны возникать из-за необычно толстых доменных границ.
Авторы предполагают, что подобная внутренняя мозаика характерна не только для исследованного соединения. Анализ симметрии указывает на возможность похожих структур во многих других купратных сверхпроводниках и родственных слоистых материалах. Пока вывод остается прогнозом: экспериментально трехмерную микроструктуру проверили только на конкретном образце. Главный результат работы поэтому касается не отказа от существующей теории сверхпроводимости, а важного уточнения исходного условия: реальный кристалл может быть гораздо менее однородным, чем предполагают модели, которые описывают его через единую усредненную структуру.