Обнаружена новая форма сверхпроводящего поведения, ранее не наблюдавшаяся

Фото из открытых источников

Материалы в сверхпроводящем состоянии представляют огромный интерес для ученых. Это объясняется редкими свойствами – прежде всего, способностью проводить электричество с нулевым сопротивлением и без потерь тепла, – которые обещают преобразовать вычислительную технику, энергетические сети и транспорт.

Это явление происходит, когда свободные электроны конденсируются в низкоэнергетическое квантовое состояние при очень низких температурах, образуя так называемые куперовские пары, благодаря чему они могут перемещаться сквозь материалы без помех.

Еще в 2007 году ученые предсказали существование более экзотического типа движения электронов, называемого волной парной плотности (PDW), при котором пары Купера образуют определенные узоры во время движения, подобно ряби на песке.

Теперь группа исследователей из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн обнаружила убедительные доказательства существования ПДВ на поверхности дителлурида металла урана, и результаты их работы были опубликованы в журнале PNAS.

Более того, было обнаружено, что эти закономерности сохраняются и за пределами стандартного сверхпроводящего состояния, чего раньше никогда не наблюдалось.

«Волны парной плотности — это улыбка Чеширского кота в мире сверхпроводимости», — говорит физик Эдуардо Фрадкин из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн. «Они представляют собой остатки, которые остаются после того, как сама фаза исчезает. В обычных сверхпроводниках куперовские пары образуются при полном фазовом переходе, но в этой системе их наблюдение в ПДВ выше точки перехода показывает, что они образуются заранее в другом состоянии».

Дителлурид урана становится сверхпроводником при температуре ниже примерно 2,1 Кельвина (около -271 °C) и представляет особый интерес для исследователей, поскольку считается редким «спин-триплетным» сверхпроводником, в котором парные электроны также обладают небольшой магнитной ориентацией.

Признаки ПДВ (дителлурида урана) ранее были обнаружены в этом металле, и здесь исследователи провели более тщательное исследование, используя специально изготовленную высококачественную форму дителлурида урана.

Материал исследовали с помощью векторного магнитно-резонансного сканирующего туннельного микроскопа (СТМ), который позволяет измерять магнитные отклики в нескольких произвольных направлениях.

«Ключевым преимуществом нашего эксперимента стало недавно разработанное оборудование с векторными магнитами, обеспечивающее необычайно большой диапазон магнитного поля в нескольких направлениях», — говорит физик Чжэнь Чжу из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн. «Систематически изменяя как величину, так и направление поля, а также температуру, мы смогли отследить эволюцию этих режимов и убедиться в том, что наблюдаемое нами поведение является внутренним».

Исследователи добавили теоретические модели для объяснения наблюдаемых ими закономерностей распределения заряда ниже критической температуры, необходимой для сверхпроводимости, а также в точке, значительно превышающей её.

«Благодаря новым методам выращивания образцов более высокого качества нам удалось наблюдать спектральные характеристики, которые реагируют на температуру и магнитные поля именно так, как должны реагировать волны парной плотности», — говорит физик Видья Мадхаван из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн. «Мы даже показали, что моды сохраняются при температурах выше той, при которой исчезает сверхпроводимость, — это показательное теоретическое предсказание, которое до сих пор не было убедительно подтверждено».

Это не означает, что в дителлуриде урана при более высоких температурах происходит сверхпроводимость в объеме, но это помогает физикам понять, как функционируют куперовские пары и как они могут существовать вне обычного сверхпроводящего состояния.

Это также может помочь исследователям лучше понять физические процессы, необходимые для разработки сверхпроводников при более высоких температурах. Такие достижения в конечном итоге могут сделать эти материалы более широко применимыми.

Существует еще одно состояние электронной пульсации, называемое волнами плотности заряда (CDW), при котором некоторые электроны принимают неоднородные формы. Понимание того, как эти волны связаны с волнами плотности заряда (PDW), будет иметь решающее значение для интерпретации экспериментальных результатов в будущем.

«Анализ волн плотности (PDW) в реальных материалах представляет собой сложную задачу, поскольку в одних экспериментах они ведут себя как обычные сверхпроводники, а в других — как волны зарядовой плотности (CDW)», — говорит физик Джулиан Мэй-Манн. «Для подтверждения существования PDW необходимы как высококачественные экспериментальные данные, так и тщательный теоретический анализ».