1285
Надпровідники привертають увагу фізиків завдяки своїй здатності проводити струм без опору та теплових втрат, що потенційно може змінити обчислювальну техніку, енергосистеми й транспорт. Тепер команда з Університету Іллінойсу в Урбана-Шампейн повідомляє про нову, раніше не спостережену форму поведінки надпровідника на поверхні металу уранідітелуриду. Про це йдеться в матеріалі ScienceAlert.
У звичайному надпровідному стані вільні електрони при дуже низьких температурах конденсуються в низькоенергетичний квантовий стан, утворюючи так звані куперівські пари. Саме завдяки цим зв’язаним парам електронів струм може «ковзати» крізь матеріал без опору.
Ще у 2007 році теоретики передбачили більш екзотичний тип руху електронів — хвилі густини пар (pair density waves, PDW). У такому стані куперівські пари не просто рухаються крізь кристал, а формують просторові візерунки, подібні до хвиль або ряби на піску.
Хвилі густини пар, що не зникають із надпровідністю
Дослідники виявили переконливі ознаки PDW на поверхні уранідітелуриду. Ще більш незвичним виявилося те, що ці впорядковані візерунки зберігалися навіть за температур, коли матеріал уже не є надпровідником у звичному сенсі. Така поведінка раніше не спостерігалася.
Фізик Едуардо Фрадкін (Eduardo Fradkin) порівнює PDW із «усмішкою кота з Чеширу» в надпровідності: це слід, який лишається, коли сам фазовий перехід уже зник. У традиційних надпровідниках куперівські пари з’являються лише після повного переходу в надпровідний стан. Тут же їхні сліди у вигляді PDW видно вище точки переходу, тобто вони формуються заздалегідь в іншому квантовому стані.
Уранідітелурид стає надпровідником приблизно нижче 2,1 Кельвіна (близько -271 °C). Він особливо цікавий тим, що вважається рідкісним «спін-триплетним» надпровідником: у таких системах електрони в парі мають ще й узгоджену мікроскопічну магнітну орієнтацію.
Ознаки PDW у цьому металі вже фіксували раніше, але тепер команда змогла роздивитися їх значно детальніше, використавши спеціально вирощені високоякісні зразки уранідітелуриду.
Як побачити квантові візерунки на поверхні металу
Щоб дослідити матеріал, вчені застосували сканувальний тунельний мікроскоп (STM) з векторним магнітним полем. Такий прилад дає змогу вимірювати реакцію електронів на магнітне поле, яке можна змінювати не лише за величиною, а й за напрямком у просторі.
За словами фізика Чженя Чжу (Zhen Zhu), ключовою перевагою експерименту стало нове обладнання з векторним магнітом, яке забезпечує незвично широкий діапазон магнітних полів у різних напрямках. Систематично змінюючи силу й напрям поля разом із температурою, команда простежила, як змінюються спостережувані моди, і переконалася, що зафіксована поведінка є внутрішньою властивістю матеріалу, а не артефактом вимірювань.
Дослідники поєднали експеримент із теоретичним моделюванням, щоб пояснити побачені зарядові візерунки як нижче критичної температури надпровідності, так і значно вище неї. Фізики аналізували спектральні сигнатури — тонкі особливості в енергетичному розподілі електронів, які змінюються з температурою та магнітним полем саме так, як очікується для хвиль густини пар.
За словами фізикині Відьї Мадгаван (Vidya Madhavan), завдяки новим методам вирощування якісніших кристалів вдалося впевнено зафіксувати ці сигнатури й показати, що відповідні моди зберігаються навіть вище температури, за якої надпровідність зникає. Теорія давно передбачала таку поведінку, але донині її не вдавалося переконливо спостерігати.
Що це означає для розуміння надпровідності
Факт існування PDW вище критичної температури не означає, що уранідітелурид стає «об’ємним» надпровідником за вищих температур. Однак це дає важливі підказки про те, як саме формуються куперівські пари та як вони можуть існувати поза звичайним надпровідним станом.
Краще розуміння таких нестандартних квантових станів може допомогти з’ясувати, які умови потрібні для появи надпровідності за вищих температур. У перспективі це підкаже, як створювати матеріали, придатні для широкого практичного використання без необхідності охолоджувати їх майже до абсолютного нуля.
Поруч із хвилями густини пар у фізиці відомий ще один «хвильовий» стан електронів — хвилі густини заряду (charge density waves, CDW), коли частина електронів утворює нерівномірні просторові структури. Зв’язок між CDW та PDW стане ключем до інтерпретації майбутніх експериментів, адже в реальних матеріалах ці стани можуть переплітатися.
Фізик Джуліан Мей-Манн (Julian May-Mann) зі Стенфордського університету зазначає, що PDW складно аналізувати: в одних експериментах вони поводяться як звичайна надпровідність, а в інших — як хвилі густини заряду. Тому підтвердження їхнього існування вимагає одночасно дуже якісних даних і ретельного теоретичного опрацювання.
Робота, опублікована в журналі PNAS, демонструє, що така комбінація експерименту й теорії дає змогу виявляти й описувати дедалі складніші квантові стани, які приховує надпровідна матерія.
Фізики виявили новий тип поведінки надпровідника в уранідітелуриді з’явилася спочатку на Цікавості.
