В сверхпроводнике нашли широкие границы между областями

Подробно

Что именно обнаружили исследователи?

Учёные изучили один монокристалл состава La1,675Eu0,2Sr0,125CuO4 (сокращённо LESCO) размером около 15 × 20 × 20 микрометров. Это купрат - сверхпроводник на основе оксида меди. Уровень допирования, то есть добавления в материал носителей заряда, составляет 1/8. Кристалл взят из той же партии, что использовалась в работе тех же исследователей 2022 года.

При 300 К (примерно комнатная температура) кристалл номинально находится в низкотемпературной орторомбической фазе (LTO). Реконструкция показала в нём переплетённые двойниковые домены, то есть области с зеркально отличающейся ориентацией структуры. Между ними нашлись протяжённые участки с почти нулевой орторомбической деформацией, похожие на тетрагональную структуру (LTT-подобную). Их толщина составила около 150 нм, а расстояние между ними - от 0,5 до 2 мкм.

При охлаждении до 100 К (примерно минус 173 °C) картина обратилась. В преимущественно тетрагональной матрице появились орторомбически подобные полосы шириной порядка 100-200 нм с примерно такой же периодичностью.

Авторы интерпретируют широкую границу как плавный поворот наклона октаэдров CuO6 между двумя LTO-доменами, возможно через промежуточную симметрию Pccn. По мнению авторов, это не атомарно резкий раздел, а плавный переход.

«Кристалл по своей сути лоскутный и текстурированный, с необычно широкими пограничными областями, которые, вероятно, работают против сверхпроводимости, а не просто соседствуют с ней», - заявил руководитель исследования, профессор химии Университета Уорика Марк Сенн.

Это слова о вероятном, а не непосредственно измеренном влиянии границ.

Как учёные заглянули внутрь кристалла?

Измерения провели на линии ID11 Европейского центра синхротронного излучения ESRF в Гренобле методом сканирующей трёхмерной рентгеновской дифракции (scanning 3DXRD). Энергия рентгеновского пучка - 43,5 кэВ, размер сфокусированного пучка - 120 нм. Образец поворачивали на 180° с шагом 0,05° и перемещали с шагом 50 нм по диапазону 26 мкм; одно сканирование занимало около двух часов.

Данные обрабатывали пакетом ImageD11. Форму среза восстанавливали томографической обратной проекцией, а локальные параметры кристаллической решётки подбирали в каждом элементе (вокселе) реконструкции по положениям дифракционных пиков. Один и тот же номинальный срез измеряли при 300, 140, 120 и 100 К. Авторы предупреждают, что положение среза могло немного смещаться из-за теплового сжатия держателя.

Эффективное пространственное разрешение, определённое по контрольному образцу, составило 61 нм; в разных оценках дополнения указан диапазон 30-70 нм при разрешении по деформации 2 × 10^-4. Для оценки толщины границ в 150 нм отдельной статистической погрешности авторы не приводят: в дополнительной таблице ширины восьми отдельных особенностей при выбранном пороге лежат в диапазоне 0,05-0,17 мкм.

Джонатан Райт, ответственный учёный линии ID11 и соавтор работы, заявил, что высокое разрешение при нескольких температурах потребовало увеличенного потока после модернизации ESRF и детектора Dectris CdTe. По его словам, дальнейшая модернизация ID11 должна улучшить пространственное разрешение и разрешение по деформации.

Мешают ли найденные границы сверхпроводимости?

Прямого ответа в работе нет. Исследователи не измеряли на найденных границах ни локальную электропроводность, ни сверхпроводящий параметр порядка, ни зарядовую волну (CDW). Слабые отражения CDW использованный вариант 3DXRD пока не позволяет картировать напрямую.

Предположение о подавлении сверхпроводимости опирается на известную связь: в купратах этого семейства (214) LTO-структура связана со сверхпроводимостью, а LTT-структура - с зарядовым порядком. Одновременного измерения структуры и электронного отклика не проводилось. Авторы подчёркивают, что прямая пространственная корреляция между структурой и электронным откликом остаётся важной нерешённой задачей, а нынешняя работа посвящена микроструктуре объёма. Регулярная форма полос и отсутствие корреляции между орторомбической и объёмной деформациями позволили исключить простое химическое объяснение рисунка (неравномерный состав).

Правда ли, что это опровергает представления о сверхпроводниках за 40 лет?

Такая формулировка принадлежит пресс-релизу Университета Уорика и пересказу ScienceDaily, а не самой статье. Статья прямо говорит, что структурная и электронная неоднородность купратов была хорошо известна. Высокотемпературная сверхпроводимость в меднооксидных соединениях открыта в 1986-1987 годах, отсюда и формула «около 40 лет».

Смесь орторомбических и тетрагональных областей в родственном купрате La2-xBaxCuO4 наблюдали методом электронной микроскопии ещё в работе Чжу и соавторов, опубликованной в Physical Review Letters 28 ноября 1994 года. Она показала и постепенный переход LTO-Pccn-LTT у двойниковых границ. В 2022 году группа с участием Сенна по рентгеновской дифракции показала, что LESCO и LBCO сохраняют значительное сосуществование LTO- и LTT-доменов даже при 10 К, и призвала пересмотреть трактовку опытов при допировании 1/8.

Новизна работы 2026 года - в пространственной организации этой неоднородности и её масштабах в конкретном кристалле LESCO. Утверждение пресс-релиза, что «почти вся теория» предполагала однородный кристалл, количественным обзором не подкреплено. Сравнение «в сотни раз шире ожидаемого» зависит от выбранного эталона: статья осторожнее говорит о величинах на порядки больше типичных атомарных стенок.

Относится ли это к другим сверхпроводникам?

Пока не проверено. Работа исследует один микрокристалл одного состава. Авторы предсказывают, что сходные доменные структуры могут быть характерны для большинства высокотемпературных купратов с родительской симметрией I4/mmm, включая семейство 214, а также висмутовые и таллиевые купраты, но экспериментально этого не показали. Они предлагают развивать картирование структуры и зарядовой волны с разрешением лучше 100 нм и применять метод к другим купратам и фазовым переходам.

Это полноценная трёхмерная картина кристалла?

Не совсем. Несмотря на название метода и формулировки пресс-релиза о «трёхмерной картине», описанный протокол восстанавливает внутренний поперечный срез: все температурные измерения сделаны при одном номинальном положении по оси z. Полная томограмма всего объёма образца в статье не показана.

Независимых комментариев учёных к статье в первых публикациях найти не удалось; материалы СМИ в основном пересказывают пресс-релизы Университета Уорика и ESRF, которые участвовали в исследовании.