Среди этих материалов выделяются CuO₂-сверхпроводники, такие как Bi2212, благодаря высоким критическим температурам, превышающим предел Бардина-Купера-Шриффера — теоретический предел максимальной температуры для сверхпроводимости. Однако происхождение этой сверхпроводимости в высокотемпературных сверхпроводниках, таких как Bi2212, остается одной из самых интригующих загадок физики.

Ключевой кусочек головоломки лежит в двумерной кристаллической плоскости CuO₂ этих материалов, которая была подробно изучена с помощью различных экспериментов. Измерения оптической отражательной способности, которые анализируют, как свет различной длины волны отражается от кристаллической плоскости с разных направлений, показали, что Bi2212 демонстрирует ярко выраженную оптическую анизотропию как в кристаллических плоскостях «ab», так и „ac“. Оптическая анизотропия описывает изменение оптических свойств материала в зависимости от направления, в котором свет проходит через него. В то время как измерения отражательной способности дают ценную информацию, изучение того, как свет проходит через кристалл на разных длинах волн, с помощью измерений оптической анизотропии Bi2212 по коэффициенту пропускания может дать более прямое представление об объемных свойствах. Однако ранее такие исследования проводились редко.

Чтобы восполнить этот пробел, японская исследовательская группа под руководством профессора д-ра Тору Асахи, научного сотрудника д-ра Кенты Накагавы и студента магистратуры Кейго Токита с факультета естественных и инженерных наук Организации комплексных исследований Университета Васэда изучила происхождение сильной оптической анизотропии монокристаллов Bi2212, легированных свинцом, с помощью измерений пропускания ультрафиолетового и видимого света. Профессор д-р Асахи говорит: «Достижение комнатно-температурной сверхпроводимости уже давно является мечтой, требующей понимания механизмов сверхпроводимости в высокотемпературных сверхпроводниках. Наш уникальный подход, заключающийся в использовании измерений пропускания ультрафиолетового и видимого света в качестве зонда, позволяет нам выяснить эти механизмы в Bi2212, что делает нас еще на один шаг ближе к этой цели». Исследование, в котором также принимал участие профессор д-р Масаки Фудзита из Института исследования материалов при Университете Тохоку, было опубликовано в журнале Scientific Reports 07 ноября 2024 года.

В своей предыдущей работе исследователи изучили зависимость оптической анизотропии Bi2212 от длины волны при комнатной температуре вдоль кристаллической оси «c», используя обобщенный высокоточный универсальный поляриметр. Этот мощный прибор позволяет проводить одновременные измерения оптической анизотропии с помощью маркеров линейного двулучепреломления (LB) и линейного дихроизма (LD), а также оптической активности (OA) и кругового дихроизма (CD) в области ультрафиолетового и видимого света. Ранее они обнаружили значительные пики в спектрах LB и LD, которые, по их предположению, являются результатом несоизмеримой модуляции кристаллической структуры Bi2212, характеризующейся периодическими колебаниями, несоизмеримыми с обычной схемой расположения атомов.

Чтобы выяснить, так ли это на самом деле, команда исследовала оптическую анизотропию кристаллов Bi2212, легированных свинцом. «Предыдущие исследования показали, что частичное замещение Bi на Pb в кристаллах Bi2212 подавляет несоизмеримую модуляцию», — объясняет г-н Токита. Для этого команда изготовила отдельные цилиндрические кристаллы Bi2212 с разным содержанием свинца, используя метод плавающей зоны. Затем из этих кристаллов путем отшелушивания с помощью водорастворимой ленты были получены образцы ультратонких пластин, пропускающих ультрафиолетовый и видимый свет.

Эксперименты показали, что большие пики в спектрах LB и LD значительно уменьшаются с увеличением содержания свинца, что соответствует подавлению несоизмеримой модуляции. Это уменьшение очень важно, так как позволяет более точно измерять OA и CD в будущих экспериментах.

Комментируя полученные результаты, профессор д-р Асахи отмечает:

Это открытие позволяет исследовать наличие или отсутствие нарушения симметрии в псевдозазоре и сверхпроводящей фазе, что является критически важным вопросом для понимания механизма высокотемпературной сверхпроводимости. Это способствует разработке новых высокотемпературных сверхпроводников.

Это исследование знаменует собой важный шаг в поисках комнатно-температурной сверхпроводимости — прорыва, который может произвести революцию в различных технологиях, от передачи энергии до медицинской визуализации и транспорта.

Ранее ученые наблюдали полет и распад электронов в сверхпроводнике.