Nadprzewodniki wysokotemperaturowe, rewolucyjna klasa materiałów odkryta ponad czterdzieści lat temu, mają ogromny potencjał w zakresie przełomów technologicznych. Materiały te wykazują zerowy opór elektryczny, umożliwiając swobodny przepływ prądu bez strat energii nawet w temperaturach znacznie wyższych niż te wymagane w przypadku konwencjonalnych nadprzewodników. Chociaż ta niezwykła właściwość znalazła już zastosowanie w różnych dziedzinach, mechanizm powstawania nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego wciąż pozostaje tajemnicą.
Zjawisko to opiera się na oddziaływaniach pomiędzy nośnikami ładunku – cząsteczkami odpowiedzialnymi za transport prądu elektrycznego – które pozwalają im łatwo poruszać się po strukturze atomowej materiału. Niedawne badania międzynarodowego zespołu badawczego przy synchrotronie BESSY II, opublikowane w czasopiśmie Nature Communications, rzucają światło na te ważne interakcje w specyficznym typie nadprzewodnika wysokotemperaturowego – miedzianach.
Naukowcy skupili się na La₂CuO₄, związku składającym się z naprzemiennych warstw tlenku miedzi (CuO) i tlenku lantanu (LaO). Kiedy La₂CuO₄ traktuje się dodatkowymi atomami (domieszkowanie), wykazuje on nadprzewodnictwo poniżej 40 kelwinów, przy czym to zachowanie nadprzewodzące ogranicza się do warstw CuO. Należy zauważyć, że warstwy LaO pozostają dielektryczne nawet w tych warunkach.
Zespół zastosował wyrafinowaną technikę zwaną spektroskopią współincydencji sygnału fotoelektronów AUGER w połączeniu ze specjalistycznymi impulsami rentgenowskimi na sondzie BESSY II. Umożliwiło im to dokładny pomiar energii par nośników ładunku – w szczególności dziur tlenowych, w których zasadniczo brakuje elektronów wokół atomów tlenu – w każdej warstwie.
Co znaleźli? Energie interakcji pomiędzy tymi nośnikami ładunku były znacznie słabsze w warstwach CuO (gdzie występuje nadprzewodnictwo) w porównaniu z warstwami dielektrycznego LaO. Odkrycie to sugeruje, że słabsze interakcje w warstwach tlenku miedzi mogą być kluczowym czynnikiem umożliwiającym powstawanie par Coopera – połączonych par elektronów odpowiedzialnych za zachowanie nadprzewodzące.
Badanie to dostarcza krytycznego wglądu w złożone interakcje między nośnikami ładunku i ich interakcjami w miedzianach. Chociaż wiele pozostaje niewiadomych na temat nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego, badanie to ujawnia interesującą różnicę w energiach interakcji, która może znacząco przyczynić się do uwolnienia jego pełnego potencjału. Przyszłe badania, które bardziej szczegółowo zbadają te różnice, mogą utorować drogę dla jeszcze lepszych materiałów nadprzewodzących o potencjalnie rewolucyjnych zastosowaniach we wszystkich gałęziach przemysłu.
