Нові світлові дослідження надпровідників Bi2212 відкривають ключові ідеї щодо високотемпературної надпровідності, просуваючи пошуки застосування при кімнатній температурі. Мідно-оксидні (CuO2) надпровідники, включаючи Bi2Sr2CaCu2O8+δ (Bi2212), відрізняються надзвичайно високими критичними температурами. Попередні дослідження з використанням вимірювань оптичної відбивної здатності показали, що Bi2212 демонструє сильну оптичну анізотропію, тобто його оптичні властивості змінюються залежно від напрямку вхідного світла. Однак його оптична анізотропія не була повністю вивчена за допомогою вимірювань оптичного пропускання, які дають більш пряме уявлення про внутрішню структуру матеріалу.
Нещодавно дослідники використали методи пропускання ультрафіолетового та видимого світла на легованих свинцем монокристалах Bi2212, виявивши джерело цієї анізотропії та проклавши шлях для глибшого розуміння її механізмів надпровідності.
Високотемпературні надпровідники
Надпровідники — це матеріали, які можуть проводити електрику з нульовим опором при охолодженні нижче певної критичної температури. Ця унікальна властивість робить їх необхідними для передових технологій, таких як електродвигуни, генератори електроенергії, високошвидкісні поїзди на магнітній підвісці та магнітно-резонансна томографія (МРТ).
Серед надпровідників матеріали на основі оксиду міді, такі як Bi2212, є особливо примітними, оскільки вони працюють при відносно високих температурах, що перевищує теоретичну межу надпровідності, встановлену теорією Бардіна–Купера–Шріффера (BCS). Незважаючи на десятиліття досліджень, механізм, що лежить в основі надпровідності в цих високотемпературних матеріалах, залишається однією з найпереконливіших загадок у фізиці.
Дослідження оптичної анізотропії в надпровідниках
Ключова частина головоломки полягає у двовимірній кристалічній площині CuO2 цих матеріалів, яка була широко досліджена за допомогою різноманітних експериментів. Вимірювання оптичної відбивної здатності, які аналізують, як світло різної довжини хвилі відбивається від площини кристала з різних напрямків, показують, що Bi2212 демонструє виражену оптичну анізотропію як у площинах кристала «ab», так і «ac».
Оптична анізотропія описує зміну оптичних властивостей матеріалу залежно від напрямку, у якому крізь нього проходить світло. Тепер, хоча вимірювання відбивної здатності надали цінну інформацію, вивчення того, як світло проходить крізь кристал на різних довжинах хвиль за допомогою оптичних вимірювань «пропускання» оптичної анізотропії Bi2212, може запропонувати більш пряме розуміння об’ємних властивостей. Однак раніше такі дослідження проводилися рідко.
Інноваційні підходи до дослідження надпровідності
Щоб подолати цю прогалину, японська дослідницька група на чолі з професором доктором Тору Асахі, дослідником доктором Кентою Накагавою та студентом магістратури Кейго Токітою з Факультету науки та інженерії Всебічної дослідницької організації Університету Васеда дослідила походження сильного оптична анізотропія легованих свинцем монокристалів Bi2212 за допомогою вимірювань пропускання ультрафіолетового та видимого світла.
Уточнюючи далі, професор доктор Асахі ділиться, що «досягнення надпровідності при кімнатній температурі давно було мрією, яка потребувала розуміння механізмів надпровідності у високотемпературних надпровідниках. Наш унікальний підхід до використання вимірювань пропускання ультрафіолетового видимого світла як зонда дозволяє нам з’ясувати ці механізми в Bi2212, наближаючи нас на крок до цієї мети».
Дослідження, у якому також брав участь професор доктор Масакі Фуджіта з Інституту дослідження матеріалів Університету Тохоку, нещодавно було опубліковано в журналі Scientific Reports.
Досягнення в розумінні оптичної анізотропії
У своїй попередній роботі дослідники вивчали залежність оптичної анізотропії Bi2212 від довжини хвилі при кімнатній температурі вздовж його кристалічної осі «с», використовуючи узагальнений високоточний універсальний поляриметр. Цей потужний інструмент дозволяє одночасно вимірювати пропускання маркерів оптичної анізотропії — лінійного подвійного променезаломлення (LB) і лінійного дихроїзму (LD) — разом з оптичною активністю (OA) і круговим дихроїзмом (CD) в області ультрафіолетового до видимого світла. Їхні попередні відкриття показали значні піки в спектрах LB і LD, які, за їхньою гіпотезою, походять від несумірної модуляції кристалічної структури Bi2212, що характеризується періодичними варіаціями, які не співмірні зі звичайною структурою розташування його атомів.
Щоб з’ясувати, чи це справді так, у цьому дослідженні команда дослідила оптичну анізотропію легованих свинцем кристалів Bi2212. «Попередні дослідження показали, що часткова заміна Bi на Pb у кристалах Bi2212 пригнічує неспівмірну модуляцію», — пояснює пан Токіта. З цією метою команда виготовила моноциліндричні кристали Bi2212 із змінним вмістом свинцю за допомогою методу плаваючої зони. Зразки ультратонких пластин, які пропускають ультрафіолетове та видиме світло, були отримані з цих кристалів шляхом відшарування водорозчинною стрічкою.
Експерименти показали, що великі піки в спектрах LB і LD значно зменшуються зі збільшенням вмісту свинцю, що відповідає придушенню неспівмірної модуляції. Це зменшення має вирішальне значення, оскільки дозволяє точніше вимірювати OA та CD у майбутніх експериментах.
Коментуючи ці відкриття, професор д-р Асахі зауважує: «Це відкриття дає змогу досліджувати наявність або відсутність порушення симетрії в псевдощілинній та надпровідній фазах, що є критичною проблемою для розуміння механізму високотемпературної надпровідності. Це сприяє розробці нових високотемпературних надпровідників». Це дослідження знаменує собою важливий крок у пошуках надпровідності при кімнатній температурі, прориву, який може революціонізувати технології в діапазоні від передачі енергії до медичного зображення та транспортування.