Физики обнаружили сверхпроводник, который «нарушает» симметрию времени

Фото из открытых источников

При определенных условиях — например, при температурах, ниже, чем в глубоком космосе, — сверхпроводники могут проводить электричество без сопротивления и, как следствие, без потерь энергии.

Несмотря на различия в химическом составе, диапазоне рабочих температур и магнитных свойствах, сверхпроводники делятся на две группы. 

Во-первых, обычные и нетрадиционные сверхпроводники различаются тем, как их электроны запутываются в тандемы, называемые парами Купера, — состояние, обеспечивающее их идентичность и позволяющее им плавно скользить сквозь атомный хаос материалов, способствуя бесперебойному электрическому потоку. 

Во-вторых, сверхпроводники I и II типов по-разному реагируют на магнитные поля, имея различные пороговые значения, при которых они резко перестают работать как сверхпроводники и начинают вести себя как обычные проводники. 

Необычные и разновидности типа II обычно считаются более экзотическими; это своего рода «Ламборгини» в своей области, раздвигающие физические границы, поскольку требуют индивидуальной инженерной разработки. 

Они также могут лучше подходить в качестве «рабочих лошадок», используемых в таких технологиях, как МРТ, подобно тому как автомобили Lamborghini когда-то использовались в качестве тракторов.

Но, возможно, теперь это уже не так. Потому что впервые физики создали сверхпроводящий материал первого типа, который, по-видимому, способен нарушить математическую симметрию времени — отличительную черту нетрадиционных сверхпроводников второго типа. 

Это явление, известное как симметрия обращения времени, представляет собой любопытное наблюдение, согласно которому большинство законов физики одинаково хорошо работают независимо от того, течет ли время математически вперед или назад. 

В исследовании, недавно опубликованном в журнале Physical Review Letters, международная группа физиков под руководством Индийского института научного образования и исследований (IISER) в Бхопале проанализировала и описала уникальные электрические и квантовые свойства этого материала, предположив, что он может в конечном итоге улучшить конструкции квантовых вычислительных устройств.

Исследователи синтезировали монокристаллы материала под названием диантимонид иттербия (YbSb2) и использовали рентгеновские лучи для определения его химической чистоты и сложной кристаллической структуры — структуры, распространенной в обычных и нетрадиционных сверхпроводниках, поскольку она позволяет проявляться квантовым свойствам.

Они установили, что его электрическое сопротивление упало до нуля, и оно резко стало сверхпроводящим при температуре около -272 градусов Цельсия, что лишь немного выше абсолютного нуля.

В сочетании с измерениями удельной теплоемкости электронов, исследователи подтвердили, что их материал обладает сверхпроводящими свойствами I типа. 

Эта мера также помогла подтвердить его "полностью энергетическое зазорное" состояние, то есть наличие энергетического барьера, который затрудняет распутывание пар электронов и, следовательно, вывод из сверхпроводящего состояния.

Исследователи также использовали два типа мюонной спиновой спектроскопии — квантового метода зондирования, который выявляет магнитные поля внутри материала путем воздействия на него мюонами, или фундаментальными субатомными частицами, которые действуют как маленькие стержневые магниты. 

Проведя эти исследования без приложения внешнего магнитного поля, исследователи обнаружили, что после перехода материала в сверхпроводящую фазу внутри него спонтанно возникают крошечные внутренние магнитные поля.

Это стало ключевым доказательством того, что YbSb2 может нарушать симметрию обращения времени, поскольку магнитные поля меняют свое направление при математическом обращении времени — если бы этого не происходило, они бы сохраняли, а не нарушали это любопытное свойство времени. 

В другом варианте этой квантовой техники исследования ученые применяли внешние магнитные поля, одновременно направляя на материал мюоны. 

Кроме того, в объемном сверхпроводящем состоянии электроны в YbSb2 не образуют пары традиционным способом. 

Вместо этого они объединяются в нетрадиционный «спиновый триплет», который представляет собой куперовскую пару, но называется триплетом из-за возможных комбинаций спинов электронов.

Важно отметить, что это состояние более сложно описать как «внутрисимметричное неунитарное триплетное состояние (INT)», поскольку оно обладает суммарным магнитным моментом – его магнитные силы не компенсируют друг друга. 

Такое сочетание позволяет YbSb2 самостоятельно нарушать симметрию обращения времени, не требуя для этого внешнего магнитного поля. 

Чтобы выяснить, как образуются триплеты, исследователи смоделировали свой материал на основе фундаментальных физических свойств, показав, что каждый из парных электронов происходит из разных энергетических орбиталей.

В результате, сочетание этих свойств может позволить YbSb2 поддерживать «бесшовные режимы поверхности Майораны». Это означает, что при низких температурах, в то время как его основная масса ведет себя как сверхпроводник, через который электроны текут беспрепятственно, на его поверхности могут проявляться майорановские моды, или квантовые возбуждения, которые действуют как собственные античастицы. (Возможно, это сравнимо с вкусным красным виноградом, который пропускает воздух через свою массу и сахар через свои края).

Это может представлять собой нечто большее, чем просто теоретический прорыв.

Подобные «топологические квантовые материалы» могут лучше защищать квантовую информацию, делая её менее уязвимой к внешним условиям, таким как тепло или электромагнитный шум — источникам помех, которые выводят квантовые системы из запутанного (и, следовательно, полезного) состояния и ограничивают их вычислительную мощность обычными компьютерами.