21 мая исследовательская группа под совместным руководством академика Сюэ Цикуня, профессора Хэ Цзюньфэна из Китайского научно-технического университета и доцента Чэнь Чжоюя из Южного научно-технического университета впервые непосредственно наблюдала безузловую сверхпроводящую щель в тонких пленках высокотемпературных сверхпроводников на основе оксидов никеля и обнаружила явление электрон-бозонной связи. Результаты соответствующего исследования были опубликованы в тот же день в журнале «Science».
Сообщается, что это открытие предоставляет важные экспериментальные доказательства по двум ключевым проблемам высокотемпературной сверхпроводимости: «симметрия сверхпроводящей щели» и «механизм сверхпроводящего спаривания», что имеет большое научное значение для глубокого понимания механизма высокотемпературной сверхпроводимости, а также является основой для продвижения более широкого применения сверхпроводниковых технологий.
В сверхпроводниках электроны «объединяются в пары» и движутся вместе. Такое «спаривание» является основой явления сверхпроводимости. Однако почему и в каком виде электроны образуют пары в высокотемпературных сверхпроводниках, до сих пор остается одной из величайших загадок физики.
«В сверхпроводниках электроны за счет спаривания могут экономить энергию, и эта сэкономленная энергия и есть сверхпроводящая щель», — пояснил Чэнь Чжоюй. — «Мы можем представить спаривание электронов как парный танец, а симметрия щели — это их "танцевальная фигура"».
Как поясняется, в традиционных сверхпроводниках щель полностью открыта и не имеет узлов, где она равна нулю, что соответствует симметрии s-типа, в то время как в высокотемпературных сверхпроводниках на основе меди долгое время считалось, что существуют узлы, что соответствует симметрии d-типа.
«Таким образом, наличие или отсутствие узлов в щели является ключевым показателем для определения физического происхождения высокотемпературной сверхпроводимости», — пояснил Чэнь Чжоюй. Данное исследование впервые дало четкий ответ для двухслойных никелевых высокотемпературных сверхпроводящих тонких пленок типа RP: их сверхпроводящая щель не имеет узлов и больше соответствует симметрии s-типа (или s±-типа).
Сообщается, что хотя и никелевые, и медные сверхпроводники относятся к высокотемпературным, их механизмы спаривания, возможно, не полностью идентичны.
Как именно спариваются электроны — это еще один ключ к разгадке тайны высокотемпературной сверхпроводимости. Теоретически механизмы спаривания электронов делятся на два типа: один не требует посредника, а другой требует передачи через посредника.
«Мы зафиксировали типичный спектроскопический сигнал "излома зоны" примерно на 70 мэВ ниже уровня Ферми, который является "отпечатком", оставленным взаимодействием электронов с неким бозоном», — пояснил Чэнь Чжоюй. — «Это подтверждает существование электрон-бозонной связи в никелевых высокотемпературных сверхпроводниках и указывает на то, что спаривание электронов, вероятно, обусловлено неким посредником».
Также стало известно, что это открытие предоставило важные экспериментальные доказательства для ответа на вопрос о том, как спариваются электроны. В настоящее время исследовательская группа уже обнаружила по этим «отпечаткам» следы, оставленные посредником. Следующим шагом станет выяснение того, что именно за бозон выступает в роли посредника при спаривании, что, возможно, станет ключом к окончательному выяснению физического механизма высокотемпературной сверхпроводимости.