Первое прямое наблюдение парных корреляций при сверхпроводимости

Французские ученые из Лаборатории Кастлера Бросселя (CNRS) под руководством Тарика Йефсаха совместно с физиками-теоретиками из Института Флэтайрон, включая Шивэя Чжана, впервые получили прямые изображения квантового процесса, лежащего в основе сверхпроводимости. Исследователи обнаружили, что после образования пар атомы двигались синхронно, а их положение зависело от расположения соседних пар, что противоречит устоявшейся 70-летней теории БКШ. Результаты этого эксперимента опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Впервые в истории физики ученые смогли непосредственно визуализировать квантовый процесс, который делает возможной сверхпроводимость — явление, при котором электрический ток течет без сопротивления благодаря тому, что электроны объединяются в пары при сверхнизких температурах. Полученные изображения принесли неожиданные результаты, которые расходятся с классическими теоретическими представлениями.

Исследование, опубликованное в журнале Physical Review Letters, демонстрирует, как отдельные атомы в особом газе, охлажденном почти до абсолютного нуля, соединяются в пары. Этот газ, известный как ферми-газ, используется учеными в качестве управляемой модели, где атомы заменяют электроны, что позволяет детально изучать физику сверхпроводников без сложностей, присущих твердым металлам.

Ключевым сюрпризом для исследователей стало то, что после образования пар атомы начинали не просто существовать вместе, а двигаться в синхронном танце, причем пространственное расположение каждой пары напрямую зависело от положения других пар. Это явление не предсказывается теорией БКШ (Бардина-Купера-Шриффера), созданной в 1950-х годах и удостоенной Нобелевской премии (1972 год), которая долгое время служила основой для понимания сверхпроводимости. Руководитель экспериментальных исследований Тарик Йефсах из Французского национального центра научных исследований (CNRS) в Париже прямо заявил, что эксперимент выявил качественное несовершенство этой теории, указав на то, что в ней чего-то принципиально не хватает.

Теория БКШ, при всей ее исторической важности, является приблизительной моделью. Она утверждает, что сверхпроводимость возникает из-за тенденции электронов образовывать пары, однако ничего не говорит о том, как эти пары взаимодействуют между собой. Согласно теории БКШ, пары распределены независимо по всему сверхпроводнику, и вероятность обнаружения пары в данной точке никак не связана с присутствием или отсутствием соседних пар.

Новое исследование опровергает это предположение. Используя недавно разработанный метод визуализации, французские физики получили прямые снимки относительного положения пар в газе из атомов лития, охлажденном до нескольких миллиардных долей градуса выше абсолютного нуля. При таких экстремальных температурах атомы лития ведут себя как фермионы — тот же класс частиц, к которому относятся электроны, что делает их идеальной заменой для моделирования сверхпроводящего поведения.

Визуализация показала, что парные атомы сохраняют определенное расстояние между собой, подобно тому как танцующие пары в бальном зале следят за тем, чтобы не столкнуться и держатся на дистанции друг от друга. Это открытие добавляет совершенно новое понимание квантовых систем, которое отсутствовало в теории БКШ. Метафорически описывая разницу, Тарик Йефсах сравнил теорию БКШ с наблюдением снаружи танцевального зала, где видно только, как пары входят и выходят, но не видно их движений внутри.

Новый же подход подобен широкоугольной камере, установленной внутри зала, которая позволяет увидеть, как пары образуются, синхронизируются и избегают столкновений. Для подтверждения экспериментальных данных теоретики во главе с Чжаном и его бывшим научным сотрудником Юань-Яо Хэ провели численное моделирование, основанное на точных законах квантовой механики. Результаты моделирования полностью совпали с экспериментом и выявили те самые детали, которых не хватало в теории БКШ, включая корреляции в расположении пар.

Значение этих результатов выходит далеко за рамки фундаментальной науки. Они расширяют понимание не только обычных сверхпроводников, но и других квантовых материалов, состоящих из фермионов. Это критически важно для разработки так называемых высокотемпературных сверхпроводников, работающих при температурах, близких к температуре жидкого азота (минус 196 градусов Цельсия), и, в конечном счете, для создания заветного сверхпроводника, работающего при комнатной температуре.

Появление такого материала произвело бы революцию в энергетике, позволив создавать сверхэффективные электросети и электронные устройства без потерь на нагрев. Хотя высокотемпературные сверхпроводники были открыты еще в 1980-х годах, механизм их работы до сих пор до конца не понят. Понимая простые случаи, такие как описанный ферми-газ, ученые могут совершенствовать свои теоретические инструменты и подходы для изучения более сложных систем, где, как надеются исследователи, будут найдены новые фазы материи, способные привести к технологическим прорывам.

Результат исследования: эксперимент показал, что в классической теории сверхпроводимости БКШ отсутствует важный элемент: пространственная корреляция между парами частиц, которые ведут себя не независимо, а синхронно, словно танцоры, соблюдающие дистанцию. Это открытие не только уточняет фундаментальные знания о квантовой физике, но и дает исследователям новый инструмент для поиска и создания сверхпроводников, способных работать при практически пригодных температурах, что в перспективе может привести к энергетической революции.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях