Электроны могут группироваться в четверки, создавая новый тип сверхпроводимости
Сверхпроводимость возникает, когда электроны в металлической паре проходят через материал без сопротивления. Однако, все может быть сложнее, чем думали ранее, поскольку ученые в Германии теперь обнаружили, что электроны также могут группироваться в четверки, создавая новое состояние материи и, возможно, новый тип сверхпроводимости.
Проводимость — это мера того, насколько легко электроны (и, следовательно, электричество) могут проходить через материал. Но даже в материалах, из которых получаются хорошие проводники, таких как золото, электроны все равно будут сталкиваться с некоторым сопротивлением. Однако сверхпроводники устраняют все барьеры и обеспечивают нулевое сопротивление при ультрахолодных температурах.
Причина, по которой электроны могут так легко перемещаться через сверхпроводники, заключается в том, что они образуют пары посредством квантового эффекта, известного как Куперовская пара. При этом они увеличивают минимальное количество энергии, необходимое для взаимодействия с электронами — и если материал достаточно холодный, у его атомов не будет достаточно тепловой энергии, чтобы нарушить эти куперовские пары, позволяя электронам свободно течь без каких-либо ограничений и потерь энергии.
Но в новом исследовании ученые из университетов Дрездена и Вюрцбурга в Германии сделали захватывающее открытие. В одном конкретном типе сверхпроводников они обнаружили, что куперовские пары сами создают пары, образуя семейства из четырех электронов.
«Когда мы обнаружили, что внезапно четыре электрона вместо двух образовали связь, мы сначала подумали, что это ошибка измерения», — говорит Хеннинг Клаус, ведущий исследователь исследования.
«Но чем больше методов мы использовали для подтверждения результата, тем яснее выяснилось, что это должно быть новое явление: все данные согласуются с одним и тем же результатом. Теперь мы знаем, что семейство четырех электронов в некоторых металлах создает совершенно новое состояние вещества при охлаждении до сверхнизких температур».
Открытие было сделано в сверхпроводящем металле, содержащем барий, калий, железо и мышьяк, из класса, известного как пниктиды железа. Такое явление было теоретически предсказано около десяти лет назад, но до сих пор не было обнаружено никаких экспериментальных доказательств. Затем исследователи потратили два года на подтверждение находки, используя семь различных методов.
Команда ученых говорит, что такие электронные семейства могут открыть новую ветвь сверхпроводимости и ряд передовых устройств, которые используют ее. Но до этого предстоит еще много работы, чтобы понять, как это работает, в каких материалах встречается и как его можно вызвать.
«Можно предположить, что наши результаты приведут к совершенно новому направлению исследований, например, поиску других металлов с четырьмя связанными электронами или изучению того, как нужно изменить материалы, чтобы создать семейство электронов», — говорит Хеннинг Клаусс.
«С чисто теоретической точки зрения, с нашим электронным семейством также возможен совершенно новый тип сверхпроводимости. Единственное, что можно сказать наверняка, — это то, что пниктиды железа хорошо подходят для таких технологий, как квантовые датчики, из-за их нового агрегатного состояния».
Исследование было опубликовано в журнале Nature Physics.