Выявление происхождения неоднородной сверхпроводимости в La3Ni2O7

Почему важны крошечные островки сверхпроводимости

Сверхпроводники — материалы, проводящие электричество без сопротивления — обещают сверхэффективные линии электропередачи, мощные магниты и более быструю электронику. Новый класс на основе никеля, а не меди, недавно потряс исследователей: он проявляет сверхпроводимость при необычно высоких температурах, но только при сильном сжатии между алмазными наковальнями под огромным давлением. В этой работе поставлен на вид казалось бы простой, но важный вопрос: когда эти никелевые кристаллы «становятся сверхпроводящими», участвуют ли в этом все их области или только небольшие участки? И что именно контролирует появление и исчезновение сверхпроводимости?

Наблюдение скрытых токов под огромным давлением

Чтобы ответить на это, авторы изучают соединение La3Ni2O7 — слоистый никелевый оксид, который становится сверхпроводящим при сжатии более чем в 100 000 атмосфер, при температурах выше точки кипения жидкого азота. Работа в таких экстремальных условиях обычно делает детальную визуализацию невозможной. Здесь команда превращает сам пресс для давления в микроскоп, внедрив тонкий слой особых атомных дефектов — центров вакансий азота — прямо под поверхностью одной из алмазных наковален. Эти квантовые датчики по-разному светятся в ответ на локальные магнитные поля и внутренние напряжения, что позволяет исследователям получать широкопольные «снимки» и магнетизма, и давления с субмикрометровым разрешением, пока образец сдавливают.

Картирование участков неоднородной сверхпроводимости в реальном пространстве

Когда материал становится сверхпроводящим, он вытесняет магнитное поле из своего объёма — это характерный эффект Мейснера. Охлаждая La3Ni2O7, прикладывая слабое магнитное поле и считывая показания квантовых датчиков по поверхности алмаза, авторы восстанавливают подробную карту поля над образцом. Области, где поле ослаблено, указывают на сверхпроводящие фрагменты; участки с усиленным полем показывают, где силовые линии отталкиваются или сжимаются. Эти карты демонстрируют, что сверхпроводимость в La3Ni2O7 далека от однородности: вместо того чтобы весь кристалл одновременно становился сверхпроводящим, это происходит лишь в неправильных, размером около микрона, карманах, формы и положения которых меняются при изменении давления и температуры. Команда также наблюдает захваченный магнитный поток, зафиксированный в образце при охлаждении в поле, снова в локализованных областях, совпадающих с наиболее сильным сверхпроводящим откликом.

Как сжатие и сдвиговые напряжения помогают или мешают

Поскольку те же квантовые дефекты чувствительны и к механической деформации, исследователи могут одновременно восстановить, как именно сжимается образец. Они различают нормальные напряжения, которые давят прямо вниз на кристалл, и сдвиговые напряжения, которые стремятся сдвинуть слои друг относительно друга. Коррелируя поведение магнитного поля в каждом пикселе с этими двумя компонентами напряжения, они показывают, что сверхпроводимость сначала появляется в областях с повышенным нормальным давлением, что объясняет, почему при массовых измерениях начало перехода фиксируется в пределах диапазона номинальных давлений. Более неожиданно, они обнаруживают, что когда сдвиговое напряжение превышает примерно 2 гигапаскаля, сверхпроводимость сильно подавляется или полностью отсутствует, даже если нормальное сжатие в остальном благоприятно. Это приводит к уточнённой трёхмерной диаграмме фаз, в которой температура, прямое давление и боковой сдвиг совместно определяют, будет ли данная микроскопическая область сверхпроводящей.

Химические полосы и сверхпроводящие карманы

Далее команда обращается к образцам с намеренно менее однородным химическим составом. В одном кристалле соотношение лантана и никеля меняется в широкие полосы, что было измерено методом энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии. В целом этот образец не показывает явного падения электрического сопротивления, которое обычно сигнализирует о сверхпроводимости. Тем не менее квантовые магнитные изображения выявляют небольшие острые карманы, которые становятся диамагнитными при низкой температуре. Наложив магнитные и химические карты, авторы обнаруживают, что эти карманы расположены точно там, где локальный состав ближе всего к идеальному соотношению лантан:никель 3:2. Области с избытком никеля или лантана вовсе не становятся сверхпроводящими. Иными словами, материал может содержать островки сверхпроводимости, слишком редкие, чтобы влиять на общее сопротивление, но явственно видимые на локальных магнитных изображениях.

Превращение несовершенств в маршрутную карту

В совокупности эти эксперименты показывают, что высокотемпературная сверхпроводимость в сжатом La3Ni2O7 хрупка и сильно зависит от его микросреды. Локальные вариации давления, сдвига и стехиометрии расчерчивают кристалл на мозаичный набор сверхпроводящих и несверхпроводящих зон, объясняя, почему массовые измерения часто фиксируют слабые или «филаментные» сигналы. Относясь к этой неоднородности как к особенностям, а не к дефектам, авторы используют единый кристалл для картирования того, какие комбинации напряжений и состава благоприятствуют или уничтожают сверхпроводимость. Для неспециалиста ключевое послание в том, что создание лучших никелатных сверхпроводников потребует не только правильного среднего давления или химии — потребуется тщательный контроль малых механических и химических вариаций, определяющих, где и насколько устойчиво могут течь сверхтоки.

Цитирование: Mandyam, S.V., Wang, E., Wang, Z. et al. Uncovering origins of heterogeneous superconductivity in La₃Ni₂O₇. Nature 651, 54–60 (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-025-10095-x

Ключевые слова: никелатные сверхпроводники, физика высокого давления, квантовое зондирование, инжиниринг деформаций, La3Ni2O7