Деформационно-инженерные плёнки La₃Ni₂O₇ достигают сверхпроводимости 40K без экстремального давления

Сверхпроводимость на протяжении столетия была явлением, которое открывают, а не проектируют. Инженерия деформации в тонких плёнках никелатов опровергает эту предпосылку на основании воспроизводимых экспериментальных результатов. Если температуру перехода можно систематически повышать через конструирование кристаллической решётки, промышленная цель безлёссовой передачи электроэнергии перестаёт зависеть от химической случайности и превращается в задачу материаловедческой инженерии, поддающуюся методическому решению.

Теория Бардина, Купера и Шриффера, сформулированная в 1957 году, даёт стандартное описание сверхпроводимости. Электроны обычно отталкивают друг друга, однако через взаимодействия с ионной кристаллической решёткой — посредством фононов — они образуют связанные пары, так называемые пары Купера, которые ниже критической температуры конденсируются в квантовую жидкость без диссипации. Теория превосходно описывает конвенциональные металлы, однако её ограничение столь же точно: внутренняя логика фонон-опосредованного спаривания не позволяет температуре перехода существенно превысить 30–40 К. Разрыв между этим пределом и 77 К, необходимыми для работы с жидким азотом — дешёвым и промышленно доступным хладагентом — составляет фундаментальную движущую силу всей программы исследований нетрадиционной сверхпроводимости.

Оксидно-медные сверхпроводники — купраты — сломали этот барьер в 1986 году, когда ртутные соединения продемонстрировали температуры перехода свыше 130 К. Но они принесли с собой новые трудности: хрупкость керамики, осложняющую обработку, химическую нестабильность и — что наиболее принципиально — механизм сверхпроводимости, который остаётся дискуссионным почти четыре десятилетия спустя. d-волновое спаривание, обусловленное антиферромагнитными спиновыми флуктуациями, является господствующей интерпретацией, однако точное происхождение лежащего в его основе электронного порядка по-прежнему оспаривается. Купраты доказали возможность высокотемпературной сверхпроводимости. На вопрос «почему» они не ответили.

Вам также может понравитьсяГалактика Бесконечность: Космическое столкновение, формирующее новое понимание происхождения чёрных дыр

Тот факт, что никель занимает в периодической таблице позицию, непосредственно соседствующую с медью, привлекает внимание исследователей сверхпроводимости с начала 1990-х годов. Ni¹⁺ в структуре бесконечного слоя имеет электронную конфигурацию 3d⁹ — ту же орбитальную заполненность, что и Cu²⁺ в купратах. Синтез посредством топотактического восстановления перовскитных прекурсоров оказался чрезвычайно сложным, пока в 2019 году группа Стэнфордского университета не продемонстрировала сверхпроводимость в тонких плёнках Nd₀,₈Sr₀,₂NiO₂, положив начало глобальному исследовательскому соревнованию. Однако температуры перехода в системах бесконечного слоя оставались ниже 20 К, а трудности синтеза удерживали область в раздробленном состоянии.

Переломный момент наступил с двухслойным соединением Раддлсдена–Поппера La₃Ni₂O₇. Эта структура содержит два плоскости NiO₂, соединённые апикальными атомами кислорода, которые создают мощные межслоевые обменные пути. При гидростатических давлениях свыше 14 гигапаскаль объёмные кристаллы La₃Ni₂O₇ входят в сверхпроводящее состояние с температурами перехода, приближающимися к 80 К. Структурное превращение сопровождается переходом в фазу симметрии I4/mmm, которая перестраивает топологию поверхности Ферми и увеличивает плотность состояний на уровне Ферми. Решающее наблюдение состояло в том, что это структурное и электронное превращение не является исключительным следствием давления.

Инженерия деформации использует фундаментальный принцип физики тонких плёнок: когда кристаллическая плёнка растёт на подложке с иным параметром решётки, она вынуждена приспосабливаться к рассогласованию. В условиях компрессионной деформации в плоскости — когда решётка подложки меньше, чем естественный межатомный интервал плёнки — плёнка сжимается в боковом направлении и расширяется в вертикальном, деформируя элементарную ячейку способом, аналогичным действию гидростатического давления. Принципиальное отличие состоит в том, что деформация, индуцируемая подложкой, является статическим состоянием при атмосферном давлении: алмазная наковальня не нужна, экстремальные усилия не требуется поддерживать ни во время измерений, ни в ходе работы устройства. Электронная фаза, прежде доступная лишь при давлениях геологического масштаба, становится постоянной характеристикой основного состояния плёнки, зафиксированной в момент роста.

Эффекты на температуру перехода прямые и измеримые. Двухслойные никелатные тонкие плёнки (La,Pr)₃Ni₂O₇, выращенные в соответствующих условиях компрессионной деформации, проявляют сверхпроводимость с начальными температурами свыше 40 К при атмосферном давлении. Расчёты теории функционала плотности раскрывают механизм: компрессия в плоскости снижает энергию зоны в точке M зоны Бриллюэна, увеличивая электронную плотность состояний на уровне Ферми. При приложении умеренного дополнительного гидростатического давления к предварительно деформированным плёнкам начальная температура превышает 60 К, причём кооперативное усиление магнитных флуктуаций между слоями и внутри них было идентифицировано как движущий механизм.

Электронная структура, раскрытая этими экспериментами, противится простой классификации в рамках прежних теоретических схем. В БКШ-сверхпроводниках верхнее критическое магнитное поле подчиняется пределу Паули — полю, при котором спиновая поляризация делает разрыв пар энергетически выгодным. Никелаты бесконечного слоя продемонстрировали сохранение сверхпроводимости в полях, более чем вдвое превышающих предел Паули, что является прямым экспериментальным свидетельством того, что фонон-опосредованное спаривание не является господствующим механизмом. Симметрия спаривания в двухслойных системах обнаруживает черты расширенной s-волны, источником которых может служить резонанс Фешбаха между двумя различными популяциями носителей, происходящими соответственно из орбиталей dz² и dx²-y² атомов никеля в двойном слое. Это межслоевое взаимодействие — не возмущение, а центральная характеристика сверхпроводящего состояния.

То, чего инженерия деформации достигает на уровне материалов — это превращение топологии поверхности Ферми, прежде являвшейся внутренним свойством, закреплённым химическим составом соединения, в переменную проектирования, доступную через условия осаждения. Выбор подложки, степень рассогласования, температура и атмосфера при росте — каждый из этих параметров становится рычагом, воздействующим на квантовую геометрию электронов на уровне Ферми. Теоретические расчёты указывают, что стабилизация фазы симметрии I4/mmm при умеренной компрессионной деформации в сочетании с легированием для регулировки заполнения γ-кармана поверхности Ферми предоставляет систематический путь оптимизации для дальнейшего повышения Tc. Это трансформирует поиск более высоких температур перехода из комбинаторного перебора новых химических соединений в контролируемую инженерную задачу в рамках известного класса материалов.

Рекомендуем к прочтениюЛовите небесный фейерверк: Апрельский звездопад Лириды

Промышленные последствия нарастают прямо пропорционально температуре перехода. Сверхпроводящие кабели передачи мощности на основе купратов уже существуют в демонстрационных проектах, однако хрупкость материалов и стоимость охлаждения ограничивают их внедрение. Если Tc тонких плёнок никелата удастся надёжно поднять к температурному диапазону жидкого азота и будет подтверждена структурная стабильность в реалистичных условиях обработки, эти материалы войдут в рабочее окно охлаждения жидким азотом без необходимости поддержания экстремальных давлений, требуемых объёмными двухслойными никелатами. Аппаратура квантовых вычислений представляет собой параллельное направление применения: современные архитектуры сверхпроводящих кубитов работают в диапазоне милликельвинов и требуют дорогостоящих и сложных криостатов разбавления. Переход к более высоким Tc не устранит криогенику, но резко снизит инженерную нагрузку на квантовый вычислительный стек.

Принципиальные проблемы остаются нерешёнными. Контроль структурных нарушений, вносимых при топотактическом восстановлении — в особенности апикальных кислородных вакансий — по-прежнему ограничивает воспроизводимость результатов между исследовательскими группами. Симметрия спаривания не определена окончательно: фазочувствительные эксперименты, необходимые для разрешения узловой структуры щели в геометрии тонких плёнок, технически весьма сложны. Теоретический анализ известных семейств нетрадиционных сверхпроводников количественно указывает, что одного лишь максимизирования спин-обменных взаимодействий в стандартных рамках коррелированных электронов может оказаться недостаточно для достижения комнатной температуры — необходимо исследование новых механизмов спаривания, сочетающих магнитные, орбитальные и фононные каналы.

С момента первых сообщений о двухслойной сверхпроводимости при атмосферном давлении к этому направлению подключились исследователи Стэнфордского университета, Института физики Китайской академии наук, Университета науки и технологий Китая, а также многочисленных европейских и японских учреждений. Необходимая структура сотрудничества — объединяющая синтетических химиков, физиков тонких плёнок, специалистов по угловому разрешению фотоэмиссионной спектроскопии, исследователей сканирующей туннельной микроскопии и теоретиков, работающих методами теории функционала плотности и ренормализационной группы — отражает масштаб проблемы: прогресс на любом из её направлений перестраивает ограничения всех остальных.

То, что никелатная платформа установила — помимо любого рекорда температуры перехода — это доказательство концепции нового класса материаловедения: намеренного конструирования квантовых фазовых диаграмм через управление геометрией кристаллической решётки. Поверхность Ферми больше не является фиксированным свойством, которое измеряют и принимают как данность; это архитектурная переменная, которую проектируют. Независимо от того, создаст ли этот подход комнатно-температурный сверхпроводник в течение десятилетия или подтвердит необходимость принципиально новой физики, он навсегда изменил концептуальный словарь области. Сверхпроводимость долго была уделом открытия. Всё больше она становится уделом проектирования.

Похожие материалы

Охота за рутением: как ИИ превратил редкий металл в «новое золото»

Свет всегда скрывал вселенную из 48 измерений

Живём ли мы в симуляции? Трилемма Ника Бострома и инфодинамика Мелвина Вопсона

Тachионы: физика на границе света