4648
Міжнародна команда фізиків описала новий матеріал, який поєднує риси одразу кількох «екзотичних» надпровідників. Йдеться про сполуку ітербію та сурми YbSb2, що стала першим відомим надпровідником I типу, здатним порушувати так звану симетрію звороту часу. Про результати роботи йдеться в матеріалі ScienceAlert.
Надпровідники за певних умов, зазвичай за екстремально низьких температур, проводять струм без опору і втрат енергії. Вони відрізняються за хімічним складом, робочими температурами та реакцією на магнітні поля і загалом поділяються на дві групи: звичайні й незвичайні (за типом зв’язування електронів у так звані куперівські пари), а також надпровідники I та II типу (за тим, як вони поводяться в магнітному полі).
Незвичайні надпровідники та системи II типу вважають більш «екзотичними» – їх важче створювати, але саме вони часто демонструють нові квантові ефекти й використовуються в передових технологіях. Однак тепер з’явився матеріал I типу, який демонструє ключову ознаку цих екзотичних систем – порушення симетрії звороту часу, притому без стороннього магнітного поля.
Що таке симетрія звороту часу
Більшість фундаментальних законів фізики працюють однаково, якщо в математичних рівняннях «перегорнути» напрямок часу – вперед або назад. Це й називають симетрією звороту часу. Магнітні поля в такому уявному «фільмі навпаки» змінюють свій напрямок. Тому поява внутрішніх магнітних полів у надпровіднику, які не зникають при такому перетворенні, вважається ознакою порушення цієї симетрії.
Саме таку поведінку дослідники виявили в YbSb2, що робить його унікальним серед надпровідників I типу, котрі зазвичай демонструють простіші, «класичні» властивості.
Як вивчали YbSb2
Команда, очолювана Індійським інститутом освіти та досліджень у галузі науки в Бхопалі, синтезувала монокристали YbSb2 і за допомогою рентгенівських методів перевірила їхню хімічну чистоту та складну кристалічну структуру. Такий тип структури часто зустрічається як у звичайних, так і в незвичайних надпровідниках, бо сприяє прояву квантових ефектів.
Вимірювання електричного опору показали, що близько -272 °C (приблизно -457,6 °F), тобто буквально за крок від абсолютного нуля, опір падає до нуля і зразок різко переходить у надпровідний стан. Разом із вимірюваннями теплоємності електронів це підтвердило, що YbSb2 поводиться як надпровідник I типу.
Ці ж дані засвідчили так званий «повністю заборонений» (fully gapped) стан: в електронній структурі матеріалу існує енергетичний бар’єр, який ускладнює руйнування куперівських пар і виведення системи з надпровідності.
Мюонна спектроскопія і поява внутрішніх полів
Щоби дослідити магнітні властивості, фізики застосували дві модифікації мюонної спінової спектроскопії – квантового методу, у якому в матеріал запускають мюони, елементарні частинки зі спіном, що поводяться як крихітні магнітики. За тим, як змінюється їхній спін, можна відновити картину магнітних полів усередині зразка.
Коли вчені опромінювали YbSb2 мюонами без зовнішнього магнітного поля, вони виявили, що після переходу в надпровідний стан у матеріалі спонтанно виникають дуже слабкі внутрішні магнітні поля. Це й стало ключовим свідченням того, що YbSb2 порушує симетрію звороту часу: у разі математичного «перемотування» часу назад напрямок таких полів змінився б, отже симетрія була б порушена, а не збережена.
В іншому варіанті досліду дослідники накладали на зразок зовнішнє магнітне поле, одночасно опромінюючи його мюонами, що дало змогу детальніше вивчити надпровідний стан у масиві матеріалу.
Незвичні куперівські пари і триплетний стан
У звичайних надпровідниках електрони утворюють куперівські пари в так званому синглетному стані: їхні спіни протилежні й взаємно компенсуються, тому загальний магнітний момент дорівнює нулю. У YbSb2, за результатами аналізу, все інакше.
У надпровідному об’ємі цього матеріалу електрони об’єднуються в незвичайний спіновий триплетний стан – це також куперівська пара, але з можливістю різних комбінацій паралельних спінів. Дослідники називають цей режим більш точно «внутрішньо антисиметричним неунітарним триплетом» (INT-стан), що означає наявність ненульового магнітного моменту: магнітні внески електронів не компенсують один одного.
Саме така будова пар дозволяє YbSb2 порушувати симетрію часу без потреби в зовнішньому полі – матеріал «створює» необхідний магнетизм власними квантовими кореляціями електронів.
Щоби з’ясувати, як формуються ці триплети, команда змоделювала електронну структуру YbSb2 на основі його фундаментальних властивостей. Розрахунки показали, що кожен електрон у парі належить до різних енергетичних орбіталей, що сприяє появі таких незвичайних зв’язаних станів.
Можливі майоранівські стани та квантові застосування
Поєднання надпровідності I типу, порушення симетрії часу та триплетного спарювання означає, що YbSb2 може бути кандидатом на так званий топологічний квантовий матеріал. За підрахунками дослідників, він здатен підтримувати «безщілинні майоранівські поверхневі моди» – квантові збудження на поверхні, які поводяться як свої власні античастинки.
Якщо така поведінка справді реалізується, то за наднизьких температур об’єм YbSb2 працюватиме як надпровідник із вільним рухом електронів, тоді як на його поверхні виникатимуть майоранівські моди. Подібні стани розглядають як перспективну основу для зберігання й обробки квантової інформації, оскільки вони теоретично краще захищені від теплових та електромагнітних завад, які зазвичай руйнують квантову заплутаність.
Таким чином, YbSb2 не лише є важливим кроком у розумінні надпровідності та симетрій у квантовій фізиці, а й може стати платформою для створення більш стабільних елементів майбутніх квантових комп’ютерів. Результати роботи опубліковано в журналі Physical Review Letters.
Надпровідник YbSb2 вперше порушує симетрію часу самостійно з’явилася спочатку на Цікавості.
