Необычные взаимодействия частиц открывают сверхпроводимость

Когда вы включаете прибор или поворачиваете выключатель света, электричество, кажется, мгновенно течет через провода в стене. Но на самом деле электричество несут мелкие частицы, называемые электронами, которые перемещаются по проводам. При этом электроны иногда сталкиваются с атомами материала, оставляя при каждом столкновении некоторую энергию.

Степень беспрепятственного перемещения электронов определяет, насколько хорошо материал может проводить электричество. Изменения окружающей среды могут усилить проводимость, в некоторых случаях резко. Например, когда некоторые материалы охлаждают до низких температур, электроны объединяются, чтобы они могли беспрепятственно течь, не теряя при этом никакой энергии — явление, называемое сверхпроводимостью.

В настоящее время группа исследователей из Университета штата Мэриленд изучает экзотическую сверхпроводимость, которая опирается на весьма необычные электронные взаимодействия. Будучи предсказанным в других нематериальных системах, этот тип поведения остается неуловимым. Исследование группы, опубликованное в выпуске Science Advances от 6 апреля, показывает эффекты, которые сильно отличаются от всего, что было замечено ранее.

Электронные взаимодействия в сверхпроводниках продиктованы квантовым свойством, называемым спином. В обычном сверхпроводнике электроны, несущие спин 1/2, спариваются и протекают без колебаний с помощью колебаний в атомной структуре. Эта теория хорошо протестирована и может описывать поведение большинства сверхпроводников. В новом исследовании раскрываются доказательства нового типа сверхпроводимости в материале YPtBi, который, по-видимому, возникает из частиц спина-3/2.

«Никто не думал, что это возможно в твердых материалах», объясняет Джонпьер Паджоне, профессор физики UMD и старший автор исследования. «Высокоспиновые состояния в отдельных атомах возможны, но как только вы помещаете атомы в сплошное тело, эти состояния обычно разрываются, и вы оказываетесь со спином 1/2».

Нахождение того, что полуметалл YPtBi был сверхпроводником, в первую очередь удивило исследователей. Большинство сверхпроводников начинаются как достаточно хорошие проводники с большим количеством мобильных электронов — ингредиентом, которого не хватает YPtBi. Согласно традиционной теории YPtBi понадобилось бы в тысячу раз больше подвижных электронов, чтобы стать сверхпроводящими при температурах ниже 0,8 Кельвина. И все же, при охлаждении материала до этой температуры, команда увидела, что сверхпроводимость происходит в любом случае. Это был первый признак того, что внутри этого материала происходит что-то экзотическое.

После обнаружения аномального сверхпроводящего перехода исследователи сделали измерения, которые дали им представление об основании электронного спаривания. Они изучали характерную особенность сверхпроводников — их взаимодействие с магнитными полями. По мере перехода материала в сверхпроводник он пытается вытолкнуть любое добавленное магнитное поле, но не полностью. Вблизи поверхности магнитное поле все еще может войти в материал, но затем быстро исчезает. Как далеко он проходит, зависит от природы спаривания электронов и изменяется по мере дальнейшего охлаждения материала.

Чтобы исследовать этот эффект, исследователи изменяли температуру в небольшом образце материала, подвергая его магнитному полю, в десять раз слабее, чем поле Земли. Медная катушка, окружающая образец, обнаружила изменения магнитных свойств сверхпроводника и позволила команде измерить крошечные изменения глубины магнитного поля внутри сверхпроводника.

Измерение показало необычную магнитную интрузию. Поскольку материал нагревался от абсолютного нуля, глубина проникновения поля для YPtBi увеличивалась линейно, а не экспоненциально, как для обычного сверхпроводника. Этот эффект в сочетании с другими измерениями и расчетами теории ограничивал возможные пути, которыми могли бы соединяться электроны. Исследователи пришли к выводу, что лучшим объяснением сверхпроводимости были электроны, замаскированные под частицы с более высокой спиновой возможностью, которые даже не рассматривались ранее в рамках обычной сверхпроводимости.

Открытие высокоспинового сверхпроводника дало новое направление для этой области исследований. На данный момент остается много вопросов, в том числе о том, как это может происходить. «Когда у вас есть высокочастотное соединение, то какой клей держит эти пары электронов вместе?» — говорят ученые. Есть некоторые идеи о том, как может произойти соединение, но остаются фундаментальные вопросы, что делает дальнейшее изучение еще более увлекательным.

Больше информации: Hyunsoo Kim et al, Beyond triplet: Unconventional superconductivity in a spin-3/2 topological semimetal, Science Advances (2018). DOI: 10.1126/sciadv.aao4513