В последние десятилетия загадка высокотемпературной сверхпроводимости не дает покоя ученым по всему миру. С момента, когда были обнаружены материалы, способные проводить ток без сопротивления при относительно высоких температурах, исследователи пытаются понять, что именно происходит внутри этих веществ. Особое внимание уделяется купратам — сложным соединениям на основе меди, которые в исходном состоянии ведут себя как антиферромагнетики. В такой структуре спины электронов на соседних атомах ориентированы строго противоположно, формируя своеобразную магнитную «шахматную доску». Это делает материал изолятором. Однако стоит добавить немного примесей, и система внезапно становится сверхпроводящей, а ее магнитные свойства радикально меняются.
Вместо единого магнитного порядка в кристалле появляются лишь небольшие динамические «островки» — зоны, где сохраняются остаточные магнитные корреляции. Размер этих областей, называемый корреляционной длиной, оказался значительно меньше, чем предсказывали теоретические модели. Экспериментаторы фиксировали крошечные магнитные домены, в то время как расчеты сулили куда большие масштабы. Это несоответствие долгое время мешало построению единой теории перехода от изолятора к сверхпроводнику.
Динамика спинов: ключ к разгадке
Группа теоретиков из Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ предложила новый взгляд на проблему. Они сосредоточились на спиновой жесткости — параметре, который определяет, насколько сложно нарушить магнитный порядок. Обычно различают пространственную и временную компоненты этой жесткости. Ранее временную составляющую считали постоянной, что упрощало расчеты, но, как выяснилось, искажало картину.
Исследователи построили модель, в которой временная спиновая жесткость зависит от частоты колебаний. Такой подход позволил учесть, как быстро меняющиеся возмущения влияют на магнитную структуру. Оказалось, что при увеличении частоты временная жесткость резко снижается, что приводит к «размягчению» магнитной системы и ограничивает распространение порядка на большие расстояния. В результате вычисленная корреляционная длина совпала с экспериментальными данными для купрата La₂-ₓSrₓCuO₄.
Фазовые диаграммы и новые горизонты
На основе обновленной модели ученые составили фазовую диаграмму, показывающую, как меняется магнитное состояние материала в зависимости от температуры и концентрации примесей. Диаграмма выявила, что устойчивый дальний порядок возможен лишь в очень узком диапазоне легирования и при низких температурах. Это полностью согласуется с наблюдениями, полученными в лабораториях по всему миру.
Главный научный сотрудник лаборатории, Андрей Катанин, отметил, что новая модель открывает путь к более глубоким исследованиям. Теперь можно учитывать дополнительные факторы, такие как локальные флуктуации или влияние беспорядка в кристалле. Каждый шаг в этом направлении приближает физиков к созданию универсальной теории высокотемпературной сверхпроводимости, которая способна изменить технологии будущего.
От статичной картинки к динамическому видео
Иван Горемыкин, аспирант и сотрудник лаборатории, подчеркнул, что для понимания поведения сложных материалов важно учитывать не только их структуру, но и динамику. Он сравнил прежние подходы с попыткой судить о движении толпы по одной фотографии, тогда как новая модель позволяет увидеть «видео» — то есть, как система реагирует на возмущения разной частоты. Именно эта динамика объясняет, почему магнитный порядок в купратах столь неустойчив.
Проведенное исследование не только решает давнюю теоретическую проблему, но и подчеркивает значимость динамических эффектов для всех сильно коррелированных электронных систем. К таким материалам относятся не только сверхпроводники, но и многие другие вещества с необычными свойствами, которые могут найти применение в электронике и квантовых технологиях.
К слову: МФТИ и его вклад в мировую науку
К слову, Московский физико-технический институт (МФТИ) — один из ведущих научных и образовательных центров России, основанный в 1946 году. За десятилетия работы вуз стал кузницей кадров для отечественной и мировой науки, а его выпускники занимают ключевые позиции в исследовательских институтах и технологических компаниях по всему миру. Центр фотоники и двумерных материалов МФТИ, где трудятся авторы исследования, специализируется на разработке новых материалов и изучении их свойств с помощью современных вычислительных методов. Лаборатория компьютерного дизайна материалов, возглавляемая Андреем Катанином, известна своими работами в области квантовой теории конденсированного состояния. В последние годы коллектив активно сотрудничает с зарубежными коллегами, участвует в международных проектах и публикует результаты в ведущих научных журналах. Благодаря таким исследованиям МФТИ укрепляет позиции России на мировой научной арене и вносит вклад в развитие передовых технологий.
