539
Надпровідний матеріал YbSb₂ уперше для свого класу продемонстрував незвичну квантову властивість: під час переходу в надпровідний стан він самочинно створює всередині себе крихітне магнітне поле. Це означає, що надпровідник типу I порушує симетрію відносно звороту часу, повідомляє команда з Індійського інституту науки освіти і досліджень Бхопала. Про роботу розповідає видання Interesting Engineering.
У звичайних умовах надпровідники втрачають електричний опір і витискають зовнішнє магнітне поле, коли їх охолоджують майже до абсолютного нуля. YbSb₂ виявився першим відомим прикладом матеріалу, в якому при цьому ще й спонтанно виникає власне внутрішнє поле, пов’язане з порушенням симетрії часу.
Що таке симетрія часу і чим особливий YbSb₂
Симетрія відносно звороту часу означає, що фізична система повинна поводитися однаково, якщо «прокрутити» її еволюцію вперед або назад у часі. Деякі рідкісні надпровідники можуть порушувати цю симетрію, але донедавна всі відомі приклади належали до типу II.
Автори роботи наголошують, що вперше «представляють свідчення порушення симетрії відносно звороту часу в надпровіднику типу I YbSb₂». Це відкриває новий напрям для дослідження екзотичних надпровідних станів, де електрони об’єднуються у пари нетиповим чином.
Дослідники виростили монокристали YbSb₂ і вивчали, як змінюються їхні властивості при охолодженні. Матеріал ставав надпровідним приблизно при температурі 0,95 кельвіна, тобто лише трохи вище абсолютного нуля.
Як підтвердили тип надпровідності
Команда мала з’ясувати, чи належить YbSb₂ до надпровідників типу I чи II. У матеріалів першого типу нижче критичного магнітного поля зовнішнє поле повністю витискається з об’єму (стан Мейснера). Надпровідники другого типу, навпаки, можуть пропускати магнітний потік у вигляді впорядкованих вихорів.
Експерименти показали, що YbSb₂ поводиться як надпровідник типу I. При полі 20 гаус він залишався у стані Мейснера та витискав прикладене поле з надпровідної області. При 40 гаус спостерігався проміжний стан, коли в кристалі співіснували надпровідні та нормальні ділянки.
Критичне поле дослідники оцінили приблизно в 51 гаус при температурі 0,1 кельвіна, що підтверджує класифікацію як тип I. Вимірювання теплоємності вказали на повністю відкриту надпровідну щілину: щоб «зруйнувати» пари електронів, потрібна скінченна енергія, отже надпровідний стан добре сформований.
Мюони зафіксували приховане магнітне поле
Найцікавіша частина роботи пов’язана з пошуком надзвичайно слабких внутрішніх магнітних полів. Для цього фізики застосували метод релаксації спіну мюонів (μSR). Мюони — це елементарні частинки, спіни яких надзвичайно чутливі до магнітних полів і можуть слугувати своєрідними мікроскопічними датчиками.
Дослідники ввели мюони в кристали YbSb₂ і стежили, як змінюється напрям їхніх спінів, коли зразок переходить у надпровідний стан. Нижче температури надпровідного переходу з’явився новий магнітний сигнал.
Оцінки показали, що всередині матеріалу виникає внутрішнє поле порядку 0,44(3) гауса. У статті зазначається, що вимірювання в нульовому полі μSR фіксують спонтанні внутрішні магнітні поля, які з’являються саме при переході в надпровідність.
Невелике зовнішнє поле близько 10 мілітесла могло пригнічувати релаксацію мюонів, що додатково підтримує висновок: нововиявлене поле є статичним або змінюється дуже повільно. Оскільки сигнал виникає одночасно з надпровідністю, це вказує на порушення симетрії відносно часу самим YbSb₂, а не на реакцію на зовнішнє поле.
Незвичні пари електронів і топологічні стани
Автори роботи припускають, що така поведінка може бути пов’язана з нетрадиційною формою надпровідності — так званим внутрішньо антисиметричним неунітарним триплетним станом. За їхніми словами, YbSb₂ є «унікальною матеріальною платформою, де надпровідність типу I співіснує з триплетним спарюванням і нетривіальною топологією».
Простими словами, електрони можуть утворювати пари особливим чином, надаючи надпровідному стану власного магнітного «характеру». Теоретичні розрахунки також вказують, що YbSb₂ є Z₂-топологічним металом, а його надпровідний стан потенційно здатен підтримувати так звані майоранівські поверхневі моди — незвичайні квантові стани, що викликають інтерес у контексті майбутніх квантових технологій.
Втім, наявність таких майоранівських мод поки що залишається лише прогнозом теорії: безпосередньо в YbSb₂ їх не виявлено. Щоб зрозуміти механізм порушення симетрії та перевірити існування передбачених поверхневих станів, команда планує додаткові експерименти μSR, вимірювання методом кутово-роздільної фотоемісійної спектроскопії та сканувальної тунельної мікроскопії, а також дослідження споріднених сполук сімейства RSb₂.
Результати роботи опубліковано в журналі Physical Review Letters.
Тип-I надпровідник уперше зафіксовано в стані з порушенням часу з’явилася спочатку на Цікавості.
