Ученые обнаружили новую причину появления сверхпроводимости
Группа специалистов из Йельского университета обнаружила убедительные доказательства существования нового типа сверхпроводящего материала. Эта работа показала, что эффект сверхпроводимости может возникать из-за нарушения симметрии движения электронов при сверхнизких температурах.
Открытие является экспериментальным подтверждением теории сверхпроводимости, согласно которой она может быть основана на электронной нематичности — фазе материи, в которой частицы нарушают свою изотропию.
В кристаллах селенида железа, смешанного с серой, атомы железа расположены в виде решетки. При комнатной температуре электрон в атоме железа не может различить горизонтальное и вертикальное направления. Но при более низких температурах электрон может перейти в «нематическую» фазу, когда он начинает предпочитать двигаться в одном или другом направлении. В некоторых случаях электрон может начать колебаться между предпочтением то одного, то другого направления. Это называется нематическими флуктуациями.
На протяжении десятилетий физики пытались доказать существование сверхпроводимости из-за нематических флуктуаций, но без особого успеха. Однако новое исследование, проведенное под руководством Эдуардо Х. да Силва Нето из Йельского университета, дает надежду на успех. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Physics.
Новая форма сверхпроводимости
«Мы начали с предположения, что в некоторых материалах на основе селенида железа, смешанного с серой, происходит что-то интересное, связанное со связью между сверхпроводимостью и нематическими флуктуациями», — говорит да Силва Нето, доцент физики факультета искусств и наук Йельского университета и сотрудник Института энергетических наук в Западном кампусе Йельского университета.
«Эти материалы идеальны, потому что они демонстрируют нематический порядок и сверхпроводимость без некоторых помех, таких как магнетизм, которые могут затруднять их изучение», — говорит да Силва Нето. — «Вы можете исключить магнетизм из уравнения».
Но это не так просто. Для проведения исследования ученые охлаждали материалы на основе железа до температуры менее 500 милликельвинов в течение нескольких дней. Чтобы проследить за состоянием материала, они использовали сканирующий туннельный микроскоп (СТМ), который делает снимки квантовых состояний электронов на атомном уровне.
Сосредоточив свое внимание на селенидах железа с максимальными нематическими флуктуациями, исследователи искали «сверхпроводящий зазор» — хорошо известный показатель существования и силы сверхпроводимости. СТМ-изображения позволили исследователям обнаружить зазор, который точно соответствовал сверхпроводимости, вызванной электронной нематичностью.
«Это было трудно доказать, потому что для точного измерения зазора необходимо проводить сложные СТМ-измерения при очень низких температурах», — сказал да Сильва Нето. — «Следующим шагом будет еще более тщательное изучение. Если мы будем продолжать увеличивать содержание серы, что произойдет со сверхпроводимостью? Умрет ли она? Вернутся ли спиновые флуктуации? Возникает несколько вопросов, которые мы будем изучать дальше».