Сверхпроводимость начинается со «вздоха» кристаллической решётки

Учёные Дагестанского государственного университета нашли ранний «сигнал» о рождении сверхпроводимости, который можно измерить

В журнале Next Materials опубликованы результаты исследования, выполненного коллективом учёных Дагестанского государственного университета совместно с Институтом физики твёрдого тела РАН и другими научными центрами, посвящённого изучению взаимосвязи между электрическими и упругими свойствами высокотемпературного сверхпроводника YBa₂Cu₃O₇−δ (YBCO).

Высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП) привлекают внимание учёных во всём мире благодаря своему потенциалу в энергетике, электронике, квантовых вычислениях и других областях. Однако природа явления высокотемпературной сверхпроводимости до сих пор остаётся одной из ключевых нерешённых проблем физики твёрдого тела. Для её понимания необходимо установить, как формируются и эволюционируют зарядовые возбуждения в кристаллической решётке и как они связаны с переходом материала в сверхпроводящее состояние.

В работе исследованы температурные зависимости электрического сопротивления и теплового объёмного расширения керамического YBa₂Cu₃O₇−δ с двумя доминирующими сверхпроводящими фазами (с температурами перехода около 90,5 K и 87 K) и нескольких дополнительных фаз с близкими значениями температуры сверхпроводимости.

Особое внимание уделено аномалиям в поведении кристаллической решётки: при охлаждении до температуры сверхпроводимости материал демонстрирует аномальное сжатие, за которым в момент перехода следует резкое увеличение объёма. Эти микродеформации сопровождаются синхронными изменениями в температурной зависимости сопротивления. Авторы обнаружили прямую и обратную корреляцию между температурными коэффициентами сопротивления и теплового расширения в различных температурных диапазонах, причём коэффициент корреляции превышает 0,98.

Профессор Даир Палчаев, руководитель исследования, подчеркнул: «Многие годы в науке почти не учитывали, что крошечные изменения размеров кристаллической решётки могут заметно влиять на проводимость высокотемпературных сверхпроводников. Считалось, что это слишком малый эффект, чтобы о нём говорить всерьёз.

Однако ещё в наших прежних исследованиях мы показали, что между электрическим сопротивлением и тепловым расширением в разных металлах есть практически прямая связь — она сохраняется в огромном диапазоне температур, от почти абсолютного нуля до точки плавления. И самое интересное: вблизи температуры сверхпроводящего перехода коэффициент теплового расширения стремится к нулю или становится отрицательным — и это справедливо как для «обычных», так и для высокотемпературных сверхпроводников.

Наши новые результаты подтверждают: в YBa₂Cu₃O₇−δ такие незначительные изменения размеров решётки — вовсе не мелочь. Они напрямую связаны с тем, как в материале возникают и обобществляются, и спариваются элементарные зарядовые возбуждения, обеспечивающие сверхпроводимость. Игнорировать этот фактор — значит закрывать глаза на один из ключевых элементов головоломки сверхпроводимости».

Полученные данные позволяют предположить, что аномальное сжатие перед точкой сверхпроводимости связано с ослаблением направленных ковалентных связей в плоскостях CuO₂, что приводит к появлению и обобществлению зарядовых возбуждений. Резкий положительный скачок объема решетки в точке сверхпроводимости может являться триггером образования куперовских пар, обеспечивающих сверхпроводимость. Такой сценарий согласуется с модифицированной интерпретацией теории Бардина-Купера-Шриффера (БКШ-модель) для высокотемпературных сверхпроводников.

Авторы отмечают, что выявленные эффекты открывают перспективы для более глубокого понимания механизмов сверхпроводимости и могут способствовать целенаправленной оптимизации свойств ВТСП-материалов для практических приложений — от энергетических линий нового поколения до элементов квантовых компьютеров.

Исследование выполнено в рамках государственных заданий FZNZ-2020–0002 и FZNZ-2025–0003, направленных на разработку сценариев природы проводимости в том числе высокотемпературной сверхпроводимости и смежных физических явлений. Работа является частью многолетнего цикла фундаментальных исследований, проводимых в Научно-образовательном центре «Нанотехнологии» Дагестанского государственного университета ( https://nano.dgu.ru/ ).