Ученые выявили, какой физический механизм отвечает за магнитные свойства купратов при допировании

11:02, 12 ноября 2018

Результаты исследований опубликованы в одном из самых авторитетных общенаучных журналов Nature

Магнитная восприимчивость с импульсным разрешением для модели купрата. Фото: www.nature.com

Международная команда исследователей выявила и доказала, что в купратах (высокотемпературных сверхпроводящих соединениях на основе меди) при добавлении примесей с меньшей концентрацией электронов в системе стабилизируется антиферромагнитное состояние. Во главе со старшим научным сотрудником кафедры прикладной теоретической физики и прикладной математики УрФУ Евгением Степановым ученые опубликовали результаты исследования в одном из самых авторитетных общенаучных журналов Nature.

«Мы исследуем коллективные электронные эффекты в различных материалах, особенно в тех, которые характеризуются достаточно сильным электрон-электронным взаимодействием, — рассказывает Евгений. — Это взаимодействие приводит к таким эффектам, как зарядовое упорядочение, магнетизм, сверхпроводящее состояние и другим. В данной статье мы исследовали, как меняются свойства купратов при добавлении в систему примесей для уменьшения концентрации электронов в материале. Обычно такой процесс называем дырочным допингом, а отсутствие электрона — „дыркой“».

Известно, что купраты являются антиферромагнетиками в нормальном состоянии. При допировании — добавление примесей — изменение магнитных свойств различных купратов может происходить по двум сценариям: либо антиферромагнетизм разрушается и переходит в скошенное антиферромагнитное состояние, либо дырки начинают формировать собственное магнитное состояние, которое характеризуется определенным волновым числом.

«В соединении, которое рассматривалось в данной работе, мы обнаружили, что реализуется второй вариант — антиферромагнетизм стабилизируется за счет сильных электронных взаимодействий. Дырки формируют свое магнитное состояние, которое, увеличиваясь с допингом, оставляет антиферромагнитное состояние неизменным, — поясняет Евгений Степанов. — И что важно — данный процесс происходит в широком диапазоне электронных концентраций, это позволяет антиферромагнитному состоянию находиться в резонансе на определенной энергии. До сих пор доподлинно неизвестно, какой именно физический механизм приводит к появлению сверхпроводимости в этих материалах. Поскольку не только мы работаем над исследованием этих материалов, существует теория, что именно данное резонансное антиферромагнитное ответственно за сверхпроводящее состояние в купратах».

Сверхпроводимость — свойство материалов обладать строго нулевым электрическим сопротивлением. В таком состоянии электроны могут свободно перемещаться в данном материале, перенося электрический заряд. Обычно сверхпроводящее состояние реализуется при достаточно низкой температуре в несколько десятков градусов по шкале Кельвина и/или при высоком давлении. Так, при комнатной температуре сверхпроводящее состояние пока получить не удается.

С экспериментальной точки зрения купраты уже достаточно хорошо изучены. Теоретически понять, что происходит в данных материалах под действием дырочного допинга и почему у них проявляются именно такие свойства, достаточно сложно.

«Всему виной очень сильное электрон-электронное взаимодействие, которое не позволяет использовать стандартные теоретические методы для описания электронных свойств в таких материалах, — говорит ученый. — Наша задача — используя разработанные нами более продвинутые методы, попытаться теоретически объяснить наличие резонансного антиферромагнитного состояния и посмотреть, что происходит с данным состоянием при допинге».

Таким образом, полученные авторами статьи результаты позволяют понять, за счет какого физического механизма стабилизируется резонансное антиферромагнитное состояние, которое, возможно, ответственно за наличие высокотемпературной сверхпроводимости в купратах.

Авторами статьи являются ученые Уральского федерального, Мичиганского, Московского государственного университетов, университетов Радбауда и Гамбурга, Российского квантового центра Евгений Степанов, Ларс Петерс, Игорь Кривенко, Александр Лихтенштейн, Михаил Кацнельсон и Алексей Рубцов.