Сверхпроводимость — это уникальное свойство некоторых материалов, позволяющее им проводить электрический ток без сопротивления при низких температурах. Это явление наблюдается в различных материалах, включая атомарно тонкие структуры, такие как диселенид ниобия (NbSe₂). Группа исследователей из Нанкинского университета в Китае провела исследование, направленное на изучение поведения NbSe₂, который демонстрирует сверхпроводимость в ультратонких слоях. Их работа, опубликованная в журнале Physical Review Letters, раскрывает упругие сверхпроводящие флуктуации в атомарно тонком NbSe₂, что может быть связано с аномальным металлическим состоянием, ранее наблюдаемым в этом материале.
Исследование было мотивировано фундаментальным вопросом в физике конденсированного состояния: могут ли металлы существовать в двумерной форме как в основном состоянии? Хотя поведение обычных металлов и изоляторов хорошо изучено, ультратонкие материалы, такие как одноатомные слои, бросают вызов традиционным представлениям. В частности, в NbSe₂ наблюдается аномальное металлическое состояние, когда слабое магнитное поле нарушает его сверхпроводящее состояние. Это состояние характеризуется металлоподобным поведением, но с необычными свойствами, которые не соответствуют стандартным моделям.
Для изучения этого явления исследователи использовали методы измерения электрического переноса и оптические методы, чтобы проанализировать, как сверхпроводимость в NbSe₂ реагирует на приложенное магнитное поле. Они обнаружили моду Хиггса — коллективное колебание частиц в сверхпроводнике, которое отражает организацию электронов. Наблюдение этой моды в атомарно тонких слоях NbSe₂ стало возможным благодаря использованию рамановского рассеяния, хотя это потребовало преодоления технических трудностей, связанных с хрупкостью и малыми размерами образцов.
Предыдущие исследования предполагали, что аномальное металлическое состояние может быть артефактом, вызванным внешним электрическим шумом. Однако результаты новой работы указывают на то, что это состояние сохраняет свои необычные свойства даже при устранении шума. Исследователи обнаружили, что электроны в NbSe₂ образуют куперовские пары, но эти пары не переходят в полностью когерентное сверхпроводящее состояние. При этом такие некогерентные пары оказались более устойчивыми к магнитным полям, чем ожидалось.
Исследование углубляет понимание аномального металлического состояния в двумерных сверхпроводниках и ставит под сомнение текущие теоретические модели. В будущем команда планирует изучить микроскопические особенности этого состояния с использованием других экспериментальных методов, а также исследовать способы управления им для лучшего понимания его природы и механизмов формирования. Эти открытия могут привести к новым прорывам в области физики конденсированного состояния и сверхпроводимости.