Коллектив учёных из Дагестанского государственного университета под руководством профессора Даира Палчаева при участии специалистов Института физики твёрдого тела РАН сделал значительный шаг к разгадке одной из самых загадочных тайн современной физики – природы высокотемпературной сверхпроводимости в материале YBa₂Cu₃O₇−δ (YBCO). Современные исследования показывают: сверхпроводимость связана с тончайшими изменениями структуры кристаллической решётки, которые прежде часто упускались из виду.
Новые горизонты в понимании высокотемпературных сверхпроводников
Высокотемпературные сверхпроводники продолжают оставаться в центре внимания научного сообщества. Использование ВТСП перспективно в различных современных технологиях: от электроэнергетики и транспорта до квантовых вычислительных устройств. Однако механизмы этого удивительного эффекта, особенно в материалах типа YBa₂Cu₃O₇−δ, до сих пор вызывают ожесточённые споры и многочисленные гипотезы.
Чтобы распутать эту сложную научную задачу, дагестанские и российские учёные провели детальное исследование температурных зависимостей электрического сопротивления и характеристик теплового расширения керамического YBa₂Cu₃O₇−δ. Данным материалам свойственны как минимум две выраженные сверхпроводящие фазы с переходными температурами 90,5 K и 87 K, а также несколько дополнительных фаз с близкими значениями.
Загадочные "вздохи" кристаллической решётки
В ходе работы удалось выявить необычные аномалии поведения кристаллической решётки YBCO вблизи температуры сверхпроводящего перехода. При охлаждении, примерно на границе перехода в сверхпроводящее состояние, материал сначала «сжимается», а затем внезапно расширяется. Эти микроскопические изменения размеров решётки оказываются синхронны с сильными изменениями электрических свойств материала — коэффициенты корреляции между параметрами достигают потрясающего значения 0,98 и выше!
Такой отклик говорит о глубокой взаимосвязи между механическими и электрическими свойствами материала. Фактически, даже минимальные варьирования решётки оказывают воздействие на появление сверхпроводимости.
Вклад профессора Даира Палчаева и его коллег
Профессор Даир Палчаев, руководивший исследованием, отмечает: на протяжении долгого времени учёные недооценивали важность микроскопических деформаций кристаллической структуры. Традиционно этим вопросам не уделялось должного внимания — предполагалось, что такие изменения едва ли могут оказать значительный эффект на глобальные свойства системы. Тем не менее, по результатам новых работ стало очевидно: связь между тепловым расширением и электрическим сопротивлением заметна не только в YBCO, но и в иных металлах вплоть до экстремально низких или высоких температур.
«Мы доказали, что даже малейшие деформации кристаллической решётки не просто неравнозначны шуму: они оказывают определяющее влияние на формирование сверхпроводящих состояний, — рассказал Даир Палчаев. — В точке перехода тепловое расширение резко меняет характер — становится либо близким к нулю, либо отрицательным. Такое нестандартное поведение наблюдается как в низкотемпературных металлах, так и в высокотемпературных сверхпроводниках».
Новый взгляд на формирование сверхпроводящего состояния
Собранные экспериментальные данные дали основания предполагать, что необычное поведение решётки – локальное сжатие, за которым следует мгновенное расширение – связано с нарушением и ослаблением особых ковалентных связей между атомами меди и кислорода в слоях CuO₂. Именно в этих слоях, по мнению учёных, формируются и обобществляются зарядовые возбуждения, которые далее объединяются в знаменитые куперовские пары — основу для возникновения сверхпроводимости.
Резкое увеличение объёма после предварительного сжатия рассматривается как своеобразный «курок», запускающий этот процесс. Такой механизм вполне согласуется с обновлёнными или расширенными трактовками классической теории Бардина — Купера — Шриффера (БКШ) применительно к материалам нового поколения.
Ближе к практическому применению и технологическим прорывам
Исследование имеет не только фундаментальное, но и прикладное значение. Глубокое понимание микроскопических процессов при переходе в сверхпроводящее состояние открывает учёным пути к целенаправленной модификации свойств высокотемпературных сверхпроводников. Такой подход может привести к появлению новых поколений линий электропередач с минимальными потерями, усовершенствованных магнитных систем и элементов вычислительной техники для квантовых информационных технологий.
Знание о доминирующем влиянии решёточных микродеформаций на свойства YBa₂Cu₃O₇−δ позволяет оптимизировать процесс создания и обработки подобных материалов для производства практических образцов высокой эффективности и надёжности.
Вклад научных центров Дагестана в передовые исследования
Работа была выполнена в рамках реализации государственных программ, нацеленных на развитие фундаментальных и прикладных исследований в области физики твёрдого тела и нанотехнологий. Существенную поддержку оказал Научно-образовательный центр «Нанотехнологии» Дагестанского государственного университета. Сегодня дагестанская школа физики твёрдого тела демонстрирует высокий уровень компетентности, активно сотрудничая с крупнейшими научными центрами России в вопросах исследования высокотемпературной сверхпроводимости и близких к ней эффектов.
Плодотворная работа профессора Даира Палчаева и его команды не только вносит ценный научный вклад в фундаментальную физику, но и способствует укреплению позиций российских учёных на мировой научной арене. Оптимистичные перспективы новых открытий дополнительно вдохновляют молодых специалистов на участие в разработке сложнейших физических проблем, от решения которых зависит технологическое будущее человечества.
Исследование даёт уверенность: будущее инноваций в области сверхпроводимости во многом связано с российской наукой, её учёными и научными школами – такими, как коллектив Дагестанского государственного университета и Института физики твёрдого тела РАН.
Источник: indicator.ru
