Учёные из Университета Уорвика, работавшие вместе с Европейским институтом синхротронного излучения (ESRF) во Франции, раскрыли неожиданный секрет внутри купратового сверхпроводника. Материал, который ранее считался однородной кристаллической структурой по всей толщине образца, на деле оказывается сложной «сшивкой» различных атомных конфигураций. Использование продвинутой трёхмерной томографической техники позволило увидеть глубинные особенности кристалла впервые и показать, что ранее существовавшие десятилетиями предположения о его однородности могут быть неверны.

Купратовые сверхпроводники способны переносить электрический ток без сопротивления, что исключает энергетические потери при передаче электроэнергии. Это качество делает их перспективными для будущих сетей питания, медицинской диагностики и квантовых вычислительных систем. Результаты исследования, опубликованные в Physical Review Letters, происходят в рамках работ химического департамента Уорвика в сотрудничестве с ESRF.

Метод сканирующей трёхмерной рентгенодифракции позволил построить подробное трёхмерное изображение внутренностей сверхпроводника. Принцип метода аналогичен компьютерной томографии: вместо тканей он картирует расположение атомов в глубине кристалла, что ранее недоступно обычными методами.

В результате анализа исследователи нашли не однородный кристалл, а «пачку» областей, где присутствуют две слегка отличающиеся атомные конфигурации. Ещё более поразительным стала ширина границ между этими регионами: они оказались сотни раз шире, чем ожидалось. Такие переходные зоны не были узкими разделителями соседствующих структур, а оказались сравнимыми с отдельными областями внутри образца.

По словам профессора Марка Сенна, возглавлявшего проект, открытие может оказать значительное влияние на исследование сверхпроводимости: «На протяжении сорока лет рабочее предположение заключалось в том, что эти материалы одинаковы внутри до конца. Теперь мы показали, что это не так. Кристалл по сути представляет собой пачку текстур, с необычно широкими границами, которые, вероятно, мешают сверхпроводимости, а не соседствуют с нею». Эти результаты могут потребовать переинтерпретации ряда Bulk-измерений и разработки будущих теоретических моделей, учитывающих структурную сложность внутри материалов.

Учёные предполагают, что подобные скрытые структурные паттерны могут встречаться и в других купратовых сверхпроводниках, а также в смежных материалах, исследуемых на предмет сверхпроводимости при экстремальном давлении. Обновление в инфраструктуре ESRF в размере примерно 150 миллионов евро, которое сделало возможными столь мощные измерения, также подчёркнуто подчеркивает важность новой технологии для материаловедения. В перспективе понимание влияния внутренних структур на электрическую проводимость может помочь улучшить сверхпроводящие материалы и приблизить создание более продвинутых энергетических систем, мощных магнитов, медицинской визуализации и квантовых технологий.