Ученые выяснили природу аномальных свойств системы. Это ещё один шаг к пониманию высокотемпературной сверхпроводимости.

Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Research.

Сверхпроводимость была открыта в 1986 году, но до сих пор нет единой теории, которая объясняла бы её свойства. Однако сверхпроводники широко применяются в различных устройствах: с их помощью создают сверхсильные магнитные поля, левитационные системы для транспорта, магнитно-резонансные томографы и многое другое.

Семейство высокотемпературных сверхпроводящих оксидов на основе BaBiO3 стало высокотемпературным сверхпроводником в 1988 году, после открытия вещества с атомами калия Ba (К)BiO3. Температура перехода в сверхпроводящее состояние — около 30 кельвинов.

У этого вещества много аномальных физических свойств. Их можно объяснить спаренным состоянием всех носителей заряда. Но эксперименты и расчёты до сих пор косвенно указывали на это состояние только в веществе Ba (К)BiO3.

Профессор Алексей Менушенков из НИЯУ МИФИ предложил идею получения доказательства существования локального спаривания электронов и дырок более 20 лет назад. Для этого нужно провести эксперимент: разрушить спаренное состояние вещества лазерным импульсом через оптическую щель и проследить за релаксацией в системе свободных электронов.

Для такого эксперимента требуется уникальное оборудование, которое позволяет наблюдать за системой с фемтосекундным разрешением. Такое оборудование стало доступно после строительства Европейского рентгеновского лазера на свободных электронах EuXFEL около Гамбурга (Германия), в котором участвовала Россия.

Исследователи использовали рентгеновскую спектроскопию поглощения с временным разрешением (tr-XAS) в области мягкого рентгеновского излучения. С помощью импульсов оптического лазера с длиной волны 633 нанометра разрушали локальные пары электронов и дырок. Импульсы рентгеновского лазера позволили снять XAS-спектры с различными временами задержки от 0,01 до 60 пикосекунд после возбуждения с фемтосекундным разрешением.

Руководитель эксперимента Алексей Менушенков представил подробности:

Мы наблюдали сильные изменения XAS спектра. Они показывают быстрое (< 0,3 пикосекунд) разрушение пар носителей заряда и более медленную (0,3 – 0,8 пикосекунд) перестройку решётки из искажённой моноклинной структуры в новое метастабильное состояние с идеальной кубической решёткой. Это состояние сохраняется как минимум до 60 пикосекунд после возбуждения.

В ходе эксперимента исследователи впервые получили доказательство существования спаривания носителей заряда в реальном пространстве в сверхпроводящем оксиде на основе бария и висмута. Также впервые была экспериментально зафиксирована трансформация электронного спектра из спаренного состояния системы в одночастичное состояние ансамбля свободных электронов.

Учёный пояснил, что система переходит в возбуждённое метастабильное состояние из-за спаривания носителей заряда. При этом спаривание вызывает локальные искажения решётки, а не наоборот, как в биполяронных моделях.

Результаты эксперимента дают новое понимание природы высокотемпературной сверхпроводимости, так как сверхпроводники на основе висмута и меди обладают похожими свойствами и одинаковой структурой.

Работа выполнена в рамках Федеральной научно-технической программы развития синхротронных и нейтронных исследований и исследовательской инфраструктуры на 2019-2027 годы Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (Соглашение № 075-15- 2021-1352).