Содержание
Пространственная модуляция сверхпроводящего зазора закодирована в цвете и измерена с помощью сканирующей туннельной микроскопии.
Сверхпроводимость — одно из самых загадочных и перспективных явлений в квантовой физике, позволяющее материалам проводить электрический ток без сопротивления при крайне низких температурах. Несмотря на десятилетия исследований, механизмы, лежащие в ее основе, до конца не изучены, особенно в сложных материалах, таких как высокотемпературные сверхпроводники.
Новое исследование, проведенное группой ученых под руководством Стевана Надь-Перге из Калифорнийского технологического института (Калтех), открыло ранее неизвестное состояние сверхпроводимости — модуляцию плотности куперовских пар (PDM), что может пролить свет на природу этого явления и приблизить создание материалов, работающих при комнатной температуре.
Сверхпроводимость и энергетический зазор
В обычных металлах электроны, сталкиваясь с ионами кристаллической решетки, теряют энергию, что создает электрическое сопротивление. В сверхпроводниках электроны образуют связанные пары (пары Купера), которые движутся согласованно, не рассеивая энергию. Ключевой характеристикой сверхпроводника является энергетический зазор — диапазон энергий, в пределах которого электроны остаются спаренными. Обычно этот зазор однороден по всему материалу, но теоретики еще в 1960-х годах предположили, что в некоторых случаях он может изменяться в пространстве.
В 2000-х годах появилась гипотеза о состоянии волны плотности пар (PDW), при котором энергетический зазор модулируется с большой длиной волны, чередуясь между большими и малыми значениями. Однако экспериментальные подтверждения этой теории были редкими и неоднозначными.
Экспериментальное открытие PDM
В новом исследовании, опубликованном в журнале Nature, ученые изучали сверхпроводник на основе железа — FeTe₀.₅₅Se₀.₄₅ — в форме ультратонких хлопьев. Используя сканирующую туннельную микроскопию (СТМ), команда обнаружила, что энергетический зазор в этом материале не постоянен, а модулируется с периодом, равным расстоянию между атомами в кристаллической решетке. Это явление, названное модуляцией плотности куперовских пар (PDM), демонстрирует колебания зазора с амплитудой до 40%, что является рекордным значением для подобных эффектов.
Смотрите также:
-
Физики обнаружили новую фазу материи в магнитном материале 26.03.2025
-
Существует ли возможность распада протона в других частях Вселенной: новое исследование 25.03.2025
Важным достижением стало преодоление технических трудностей: ранее поверхность сверхпроводников на основе железа сильно загрязнялась, что мешало проведению точных измерений. Ученые разработали новый метод подготовки образцов в Институте нанонауки Кавли (KNI), что позволило получить достаточно чистую поверхность для СТМ-анализа.
Теоретическое объяснение
Для интерпретации результатов физики Михал Папай (Хьюстонский университет) и Патрик Ли (MIT) предложили теоретическую модель, объясняющую возникновение PDM.
Согласно их расчетам, модуляция зазора связана с нарушением симметрии кристаллической решетки и особенностями вращательной симметрии в тонких слоях материала. Это открытие указывает на возможную связь между структурными дефектами, электронными корреляциями и сверхпроводимостью.
Значение для науки и технологий
Открытие PDM расширяет понимание сверхпроводимости, демонстрируя, что даже в атомном масштабе могут существовать сложные модуляции электронных состояний. Это важно для поиска новых сверхпроводящих материалов, в том числе работающих при более высоких температурах.
Потенциальные приложения включают:
- Квантовые вычисления: сверхпроводящие кубиты требуют материалов с контролируемыми свойствами.
- Энергетика: сверхпроводники без потерь энергии могут революционизировать передачу и хранение электричества.
- Медицина: улучшенные магниты для МРТ и новые методы диагностики.
Хотя до сверхпроводимости при комнатной температуре еще далеко, это исследование добавляет важный элемент в общую картину, приближая ученых к разгадке одной из главных тайн современной физики.
