Кристаллическая жидкость и сверхпроводимость: неожиданный дуэт в кремниевом сплаве

Автор: Денис Аветисян

Новое исследование демонстрирует сосуществование упорядоченного заряда, проявляющего свойства жидкокристаллической фазы, и сверхпроводимости в материале NaAlSi.

🧐

Купил акции по совету друга? А друг уже продал. Здесь мы учимся думать своей головой и читать отчётность, а не слушать советы.

Бесплатный телеграм-канал

На поверхности NaAlSi, исследованной методом сканирующей туннельной микроскопии, обнаружены признаки как полуметаллического поведения, проявляющегося в <span class="katex-eq" data-katex-display="false">\frac{\mathrm{d}I}{\mathrm{d}V}(V)</span> кривых с ‘v’-образной формой минимума немного выше уровня Ферми, так и сверхпроводимости, подтвержденной наличием сверхпроводящего интервала при эффективной температуре <span class="katex-eq" data-katex-display="false">T_{\mathrm{eff}}\approx 350\,\mathrm{mK}</span>, что указывает на комплексные электронные свойства данного материала. — На поверхности NaAlSi, исследованной методом сканирующей туннельной микроскопии, обнаружены признаки как полуметаллического поведения, проявляющегося в $\frac{\mathrm{d}I}{\mathrm{d}V}(V)$ кривых с ‘v’-образной формой минимума немного выше уровня Ферми, так и сверхпроводимости, подтвержденной наличием сверхпроводящего интервала при эффективной температуре $T_{\mathrm{eff}}\approx 350\,\mathrm{mK}$ , что указывает на комплексные электронные свойства данного материала.

Обнаружена связь между электронными жидкокристаллами и сверхпроводимостью в материале с pp-орбиталями, исследованном с помощью DFT расчетов.

Взаимосвязь между спонтанным нарушением симметрии в электронных системах и возникновением сверхпроводимости до сих пор остается предметом интенсивных исследований. В настоящей работе, посвященной исследованию материала с квадратной решеткой, ‘Coexisting electronic smectic liquid crystal and superconductivity in a Si square-net semimetal’, авторы сообщают о наблюдении кратковременного порядка в виде полос заряда с нематической структурой в полуметалле NaAlSi. Обнаруженная модуляция амплитуды сверхпроводящего энергетического зазора указывает на тесное переплетение сверхпроводящего и нематического порядков, обусловленное подавлением кинетической энергии на ферми-поверхности, сформированной в основном p-орбиталями. Каким образом подобные электронные фазы жидкости могут способствовать возникновению нетривиальных сверхпроводящих состояний в материалах с сильными электронными корреляциями?

Неуловимая природа сверхпроводимости в NaAlSi

Соединение NaAlSi демонстрирует отход от общепринятых представлений о сверхпроводимости, бросая вызов устоявшимся парадигмам. В отличие от традиционных сверхпроводников, где спаривание электронов происходит благодаря фононам, механизм в NaAlSi представляется существенно иным. Исследования указывают на то, что сверхпроводимость в этом материале возникает не из-за привычного взаимодействия электронов с колебаниями кристаллической решетки, а благодаря более сложным квантовым эффектам, связанным с его уникальной электронной структурой. Такое отклонение от стандартной теории БКХЕ (BCS) заставляет ученых переосмыслить фундаментальные принципы, лежащие в основе этого явления, и открывает перспективы для разработки новых материалов с улучшенными сверхпроводящими свойствами. Изучение NaAlSi, таким образом, может привести к революционным открытиям в области физики конденсированного состояния и технологий будущего.

Уникальная электронная структура соединения NaAlSi, обусловленная характеристиками нодального полуметалла, требует глубокого и всестороннего исследования ее происхождения. В отличие от традиционных металлов, где проводимость обусловлена привычными механизмами, NaAlSi демонстрирует свойства, связанные с особыми линиями в электронной структуре — нодальными линиями. Эти линии определяют поведение электронов и приводят к нетривиальным эффектам, в том числе к потенциальной возможности сверхпроводимости. Понимание формирования этих нодальных линий, их влияния на электронный транспорт и взаимодействия с другими элементами кристаллической решетки является ключевым для раскрытия природы сверхпроводимости в данном материале и может привести к созданию новых, более эффективных сверхпроводников с улучшенными характеристиками.

Исследование нетрадиционных механизмов сверхпроводимости в материалах, подобных NaAlSi, открывает принципиально новые перспективы в создании сверхпроводников, работающих при более высоких температурах. Традиционные сверхпроводники требуют экстремального охлаждения, что ограничивает их практическое применение. Понимание того, как уникальные электронные свойства NaAlSi, связанные с его структурой узлового полуметалла, способствуют возникновению сверхпроводимости, может привести к разработке материалов, не требующих столь интенсивного охлаждения. Это, в свою очередь, позволит значительно расширить сферу применения сверхпроводников — от энергоэффективных электросетей и магнитно-левитационного транспорта до высокочувствительных датчиков и мощных магнитов для медицинских исследований. Успешное освоение этих принципов может стать прорывом в области материаловедения и энергетики, обеспечив технологический прогресс в различных областях науки и техники.

Наблюдения за соединением NaAlSi выявили тесную взаимосвязь между упорядочением заряда и сверхпроводящим состоянием, что указывает на сложный механизм возникновения сверхпроводимости. Первоначальные исследования демонстрируют, что изменение электронной плотности, проявляющееся в упорядочении заряда, существенно влияет на критическую температуру и другие характеристики сверхпроводящего перехода. Этот эффект предполагает, что упорядочение заряда не является просто сопутствующим явлением, а играет активную роль в формировании сверхпроводящего состояния, возможно, изменяя электронную структуру и способствуя образованию куперовских пар. Дальнейшие исследования направлены на то, чтобы полностью раскрыть природу этой взаимосвязи и определить, является ли упорядочение заряда необходимым условием для возникновения сверхпроводимости в NaAlSi, или же оно усиливает уже существующее сверхпроводящее состояние, открывая новые перспективы в области высокотемпературной сверхпроводимости.

Расчетная поверхностная спектральная функция NaAlSi демонстрирует эволюцию полос в спектре при изменении энергии и указывает на перестройку электронной структуры, связанную с образованием полосчатого порядка и снятием вырождения междуp\_{x} иp\_{y} состояниями.

Вычислительное моделирование электронной структуры

Для исследования электронной структуры NaAlSi были проведены расчеты в рамках теории функционала плотности (DFT) с использованием пакета VASP. В рамках этих расчетов решалась задача о структуре электронных состояний материала, учитывая взаимодействие между электронами и ионными ядрами. Параметры расчетов, включая энергию отсечки плоскостных волн и k-точки Бриллюэна, были оптимизированы для достижения баланса между точностью и вычислительными затратами. Результаты DFT позволили определить энергетическую структуру материала, плотность состояний и распределение электронной плотности в пространстве, что является основой для понимания его физических свойств.

Вычисления, выполненные с использованием теории функционала плотности (DFT) и дополненные интерполяцией функций Ванье, позволили установить происхождение полуметаллического поведения с узловыми линиями в NaAlSi. Интерполяция функций Ванье позволила точно определить характер волновых функций блоха в реальном пространстве, что необходимо для анализа топологических свойств электронной структуры. В частности, было показано, что узловые линии формируются вследствие пересечения энергетических зон в определенных точках симметрии вблизи точки K Бриллюэна, что приводит к линейной дисперсии носителей заряда в этих направлениях и, следовательно, к металлическим свойствам материала вдоль узловых линий.

Выбор пространственной группы симметрии P4/nmm в качестве основы для вычислительного подхода к NaAlSi обусловлен необходимостью точного описания кристаллической структуры материала. Данная пространственная группа определяет расположение атомов в элементарной ячейке и симметричные операции, которые сохраняют структуру неизменной. Использование P4/nmm позволяет существенно снизить вычислительные затраты, ограничивая расчеты только фундаментальной ячейкой, а также гарантирует корректное моделирование электронных свойств, зависящих от симметрии кристаллической решетки. В рамках расчетов методом теории функционала плотности (DFT) учет симметрии P4/nmm оптимизирует базисный набор и упрощает решение уравнения Шредингера, повышая точность и эффективность моделирования.

Расчёты в рамках теории функционала плотности (DFT) подтвердили наличие симметрии группы C_4v на Na-терминированной поверхности NaAlSi. Данная симметрия оказывает существенное влияние на электронную структуру, проявляющееся в специфической форме энергетических зон и плотности состояний. Анализ показывает, что C_4v симметрия приводит к вырождению некоторых электронных состояний и формированию направленной зависимости электронных свойств от кристаллографического направления на поверхности. В частности, наблюдается расщепление вырожденных уровней при отклонении от высокосимметричных направлений, что влияет на транспортные характеристики и оптические свойства материала.

Микроскопические наблюдения выявили модуляции атомных и зарядовых полос, демонстрируемые топографией поверхности и соответствующим преобразованием Фурье, а также подтвержденные увеличенными изображениями атомных неровностей и одновременными измерениями проводимости вдоль выбранных участков.

Экспериментальное наблюдение модуляции заряда

Для непосредственной визуализации порядка полос заряда в NaAlSi был использован сканирующий туннельный микроскоп (СТМ). СТМ позволяет отображать распределение электронной плотности на поверхности материала с атомным разрешением. В данном исследовании, СТМ был применен для получения изображений, демонстрирующих периодическое изменение электронной плотности, которое интерпретируется как упорядоченное расположение полос заряда. Метод основан на измерении туннельного тока между острым металлическим наконечником и исследуемой поверхностью, при этом ток чувствителен к локальным изменениям электронной структуры материала. Полученные изображения предоставили прямые доказательства существования и структуры порядка полос заряда в NaAlSi.

Исследования с использованием сканирующей туннельной микроскопии (СТМ) показали, что полосы заряда в NaAlSi не согласованы с кристаллической решеткой материала. Это означает, что период полос заряда не является целым кратным периоду решетки, формируя некоррелированную (incommensurate) структуру. Несоответствие периода полос заряда и кристаллической решетки проявляется в апериодичности наблюдаемого узора и требует использования методов анализа, таких как преобразование Фурье, для точного определения длины волны этих полос. Данный тип структуры отличается от комменсуратных структур, где период полос заряда кратен периоду решетки.

Анализ данных сканирующей туннельной микроскопии (СТМ) включал преобразование изображений в частотную область с помощью преобразования Фурье. Для точного определения длины волны полос заряда использовалось лоренцево приближение для подгонки полученных спектров. Лоренцевы функции эффективно моделируют форму спектральных пиков, связанных с периодичностью полос заряда, что позволяет с высокой точностью измерить пространственную периодичность и, следовательно, длину волны λ этих структур. Полученные значения длины волны полос заряда служат ключевым параметром для понимания электронных и кристаллической структуры NaAlSi.

Наблюдаемая полосатая структура заряда в NaAlSi демонстрирует сходство с волновыми функциями плотности заряда (CDW), наблюдаемыми в других материалах, однако имеются и существенные отличия. В отличие от классических CDW, характеризующихся периодическим изменением электронной плотности и часто связанными с фазовыми переходами, полосатая структура в NaAlSi проявляется как некомменсуратный узор, не согласующийся с кристаллической решеткой. Это указывает на более сложный механизм возникновения, не сводимый к простой модуляции Ферми-поверхности, типичной для CDW. Кроме того, характеристики полосатой структуры, такие как длина волны и амплитуда, отличаются от параметров CDW, наблюдаемых в аналогичных соединениях, что подтверждает ее уникальный характер.

Наблюдения показали наличие доменов с полосатой упорядоченностью заряда с различной ориентацией, выявленных с помощью Фурье-фильтрации амплитудных карт, что подтверждается профилями амплитуды и измерениями проводимости сверхпроводящего интервала вдоль выбранного пути <span class="katex-eq" data-katex-display="false">L_3</span>. — Наблюдения показали наличие доменов с полосатой упорядоченностью заряда с различной ориентацией, выявленных с помощью Фурье-фильтрации амплитудных карт, что подтверждается профилями амплитуды и измерениями проводимости сверхпроводящего интервала вдоль выбранного пути $L_3$ .

Сверхпроводимость и жидкокристаллическое поведение

Наблюдаемый порядок полос заряда оказывает модулирующее воздействие на параметр суперпроводящего упорядочения, приводя к формированию так называемого «жидкого кристаллического состояния пар». В этом уникальном состоянии, электроны, связанные в куперовские пары, демонстрируют анизотропные свойства, схожие с жидкокристаллами, где ориентация пар не является случайной, а подчиняется определенной структуре. Это означает, что суперпроводящая когерентность не является изотропной, а зависит от направления, подобно тому, как свет поляризуется в жидкокристаллическом дисплее. Данный эффект указывает на тесную связь между электронным упорядочением и модуляцией плотности заряда, открывая новые возможности для управления и манипулирования сверхпроводящими свойствами материалов. Формирование «жидкого кристаллического состояния пар» представляет собой отклонение от стандартной модели сверхпроводимости и указывает на возникновение экзотических квантовых фаз материи.

Наблюдаемое модулирование, возникающее в структуре зарядовых полос, приводит к нарушению вращательной симметрии сверхпроводящего состояния. Данное нарушение проявляется в формировании нематической или смектической фазы — состояний, характеризующихся анизотропией физических свойств. В нематической фазе наблюдается упорядочение молекул вдоль определенного направления, в то время как смектическая фаза, помимо этого, демонстрирует слоистую структуру. Появление этих жидкокристаллических фаз в сверхпроводнике указывает на тесную связь между спиновыми колебаниями, структурой зарядовой плотности и спариванием электронов, открывая новые перспективы для понимания экзотических квантовых состояний материи и разработки материалов с уникальными свойствами.

Наблюдаемое жидкокристаллическое поведение в сверхпроводящем состоянии указывает на тесную и уникальную связь между сверхпроводящими электронами и модуляцией плотности заряда. Данная взаимосвязь не является пассивным следствием, а представляет собой активное взаимодействие, в котором изменения в упорядочении плотности заряда непосредственно влияют на поведение куперовских пар. Именно эта связь приводит к возникновению анизотропии в сверхпроводящем состоянии, проявляющейся в виде нематической или смектической фазы, где куперовские пары выстраиваются определенным образом относительно полос изменения плотности заряда. По сути, модуляция плотности заряда выступает в роли «упорядочивающего фактора», формируя жидкокристаллическую текстуру в сверхпроводящем состоянии и открывая новые возможности для управления сверхпроводимостью.

Полученные данные ставят под вопрос общепринятые представления о сверхпроводимости, открывая путь к пониманию экзотических квантовых фаз материи. Измеренный энергетический промежуток в сверхпроводнике составляет 1 мэВ при эффективной температуре электронов 350 мК, что указывает на необычные характеристики электронного состояния. Длина когерентности, критически важный параметр, определяющий масштаб сверхпроводящего эффекта, оказалась анизотропной: 9,07 нм перпендикулярно полосам и 20,33 нм вдоль них, что подтверждается методом Лоренцевского аппроксимирования параметров упорядочения полос. Температура начала сверхпроводящего перехода, равная 7,2 K, в сочетании с анизотропией длины когерентности, предполагает сложную связь между сверхпроводящими электронами и модуляцией плотности заряда, открывая новые перспективы для разработки материалов с уникальными квантовыми свойствами.

Микроскопическое исследование выявило соответствие между полосами заряда и сверхпроводящим порядком, демонстрируя, что модуляции сверхпроводящего параметра <span class="katex-eq" data-katex-display="false">\Delta(\mathbf{r})</span> и локального параметра порядка <span class="katex-eq" data-katex-display="false">L(\mathbf{r})</span> находятся в фазе, что подтверждается данными о дифференциальной проводимости <span class="katex-eq" data-katex-display="false">\frac{\mathrm{d}I}{\mathrm{d}V}(V)</span> и топографией поверхности. — Микроскопическое исследование выявило соответствие между полосами заряда и сверхпроводящим порядком, демонстрируя, что модуляции сверхпроводящего параметра $\Delta(\mathbf{r})$ и локального параметра порядка $L(\mathbf{r})$ находятся в фазе, что подтверждается данными о дифференциальной проводимости $\frac{\mathrm{d}I}{\mathrm{d}V}(V)$ и топографией поверхности.

Исследование демонстрирует, что возникновение упорядоченной полосатой структуры заряда в NaAlSi, проявляющей свойства, аналогичные с мектическими жидкими кристаллами, тесно связано с проявлением сверхпроводимости. Подобное поведение указывает на фундаментальную связь между электронными фазами материи и их структурной организацией. Как сказал Конфуций: «Изучай прошлое, чтобы понимать настоящее». В данном случае, изучение закономерностей в организации электронных систем, подобно анализу исторических данных, позволяет глубже понять природу сверхпроводимости и жидких кристаллов, открывая путь к новым материалам с уникальными свойствами. Данная работа подчеркивает важность понимания взаимосвязи между структурными и электронными свойствами материалов для разработки новых технологий.

Что дальше?

Обнаружение сосуществования электронного смектического поведения и сверхпроводимости в NaAlSi, безусловно, открывает новые горизонты в понимании взаимосвязи между различными фазами материи. Однако, стоит признать, что наблюдаемая картина ставит перед исследователями ряд вопросов, ответы на которые пока остаются за пределами понимания. Какова истинная природа связи между зарядовым упорядочением и сверхпроводимостью? Является ли смектический порядок лишь побочным продуктом формирования сверхпроводящего состояния, или же он играет активную роль в его стабилизации?

Очевидно, что дальнейшие исследования должны быть направлены на более детальное изучение влияния различных параметров — давления, химического состава, дефектов кристаллической решетки — на свойства NaAlSi. Необходимо также провести более глубокий анализ электронной структуры материала, чтобы понять, как формируются узлы в спектре и как они влияют на взаимодействие электронов. Важно учитывать, что используемые DFT-расчеты, как и любые теоретические модели, имеют свои ограничения и не могут полностью отразить сложность реальной системы.

В конечном итоге, поиск новых материалов, демонстрирующих аналогичное сочетание свойств, может привести к созданию принципиально новых электронных устройств. Но прежде чем мечтать о практическом применении, необходимо осознать, что понимание фундаментальных законов, управляющих этими сложными явлениями, остается лишь в начале пути. Нельзя забывать о границах наших знаний и о том, что самые интересные открытия часто скрываются за пределами привычных представлений.

Оригинал статьи: https://arxiv.org/pdf/2601.10939.pdf

Связаться с автором: https://www.linkedin.com/in/avetisyan/

Смотрите также:

2026-01-21 03:22