Физики долго считали купратные сверхпроводники однородными кристаллами. Трёхмерная рентгеновская съёмка показала иное: внутри материала La1,675Eu0,2Sr0,125CuO4 располагаются протяжённые области с разным расположением атомов, способные менять поведение электронов и влиять на сверхпроводимость.

Купраты — это оксиды меди, в которых сверхпроводимость наступает при гораздо более высоких температурах, чем в классических сверхпроводниках. Кристаллы атомов во всё ещё требуют сильного охлаждения, но куда более доступного, чем технически необходимые для других материалов условия. Атомы в них образуют слоистую решётку, а кислородные октаэдры CuO6 вокруг медного центра наклоняются под разными углами. Даже небольшой поворот октаэдра меняет симметрию кристалла и влияет на движение электронов.

Исследование сосредоточилось на купрате с определённым составом легирующих атомов — область, особенно интересная для физиков. При комнатной температуре (около 27 °C) кристалл имеет орторомбическую структуру, а при охлаждении до −113 °C переходит в тетрагональную фазу с иным углом наклона кислородных октаэдров.

Заглянуть внутрь образца помогла сканирующая трёхмерная рентгеновская дифракция. Образец перемещали в рентгеновском пучке, а по дифракционной картине восстанавливали, как деформирована кристаллическая решётка в разных местах. По принципу это напоминает томографию, но вместо органов показывает различия в расположении атомов. Разрешение съёмки составило минимум 70 нм.

При 27 °C внутри формально орторомбического кристалла обнаружились широкие полосы с признаками тетрагональной структуры. Толщина этих переходных областей достигала 150 нм — необычно много для обычной доменной границы, где смена направления решётки происходит почти резко. Здесь же атомы переходили от одной ориентации к другой постепенно, через целую промежуточную зону. Такие полосы располагались на расстоянии 0,5–2 мкм одна от другой.

После охлаждения до −173 °C ситуация изменилась. Большая часть образца стала тетрагональной, но внутри сохранились тонкие полоски орторомбической структуры размером 100–200 нм. Регулярное расположение полос и характер деформаций указывают, что неоднородность заложена в саму кристаллическую структуру, а не возникла из случайного распределения примесей.

Эти детали имеют значение, потому что строение решётки в купратах напрямую влияет на движение электронов. В тетрагональной фазе наклоны октаэдров закрепляют так называемые полосы заряда — периодические области с повышенной и пониженной электронной плотностью. Между соседними слоями полосы поворачиваются на 90°, что может разрушить согласованный поток сверхпроводящего тока между слоями. Орторомбические участки, напротив, потенциально сохраняют локальные пути для сверхпроводимости. Авторы уточняют: они измеряли структуру кристалла, а не саму сверхпроводимость, поэтому прямую связь ещё предстоит проверить экспериментально.

Признаки сложного внутреннего устройства появлялись и ранее. В 2022 году рентгеновские измерения уже указывали на сосуществование разных фаз в подобных купратах даже при очень низких температурах. Однако усредняющие методы дифракции не могли показать, как области расположены внутри образца. Новая трёхмерная реконструкция выявляет, что ряд сигналов, которые раньше интерпретировали как наличие двух отдельных фаз, способны возникать из-за необычно толстых переходных границ.

Исследователи предполагают, что такая внутренняя мозаика характерна не только для этого конкретного соединения. Анализ симметрии указывает на возможность похожих структур во многих других купратных сверхпроводниках и родственных слоистых материалах. Пока это остаётся прогнозом: экспериментально структуру проверили только на одном образце. Главное же состоит в том, что реальный кристалл может быть значительно менее однородным, чем предполагают теоретические модели, которые описывают его усреднённой структурой.