Изображение: Еврейский университет в Иерусалиме / иллюстрация, сгенерированная искусственным интеллектом.
Два сверхтонких сверхпроводника, давно и пристально изучаемых физиками, преподнесли неожиданный сюрприз: то, что внешне выглядело как единое сверхпроводящее состояние, на самом деле представляет собой совокупность двух различных состояний, действующих одновременно. Это открытие снимает давний вопрос, связанный с поведением этих материалов, и одновременно открывает возможности для создания более совершенных компонентов квантовых компьютеров и сверхэффективной электроники.
Прояснение скрытой структуры, как ожидается, в перспективе позволит специалистам конструировать сверхпроводящие материалы и устройства с высокой степенью контроля и надёжности. По мере того как квантовые вычисления, сверхэффективная электроника и другие передовые технологии будут обретать всё более широкое применение, потребность в доскональном понимании того, что происходит с электронами внутри сверхпроводников, станет неизбежно возрастать.
Случается, что научные сенсации рождаются не из открытия принципиально новых объектов, а из пристального пересмотра того, что долгое время считалось полностью изученным и не вызывающим вопросов.
Физики на протяжении десятилетий исследуют сверхпроводники — вещества, проводящие электрический ток без потерь энергии. Их уникальные свойства востребованы в самых разных сферах: от высокоэффективной электроники и квантовых компьютеров до современных медицинских систем.
Сверхпроводник, представившийся на удивление простым
Одним из наиболее детально изученных примеров является диселенид ниобия (NbSe2). Когда учёные расщепили этот материал до нескольких атомных слоёв, эксперименты показали, на первый взгляд, простое сверхпроводящее поведение. В частности, образцы, по-видимому, обладали единственной энергетической щелью — ключевой характеристикой, которая отражает то, каким образом электроны объединяются в пары для движения без возникновения сопротивления.
Однако при более внимательном анализе возникли серьёзные сомнения в том, что эта простая картина является полной и исчерпывающей.
Научную работу выполнили докторант Шахар Саймон и магистрантка Майя Кланг под руководством профессора Одеда Милло и профессора Хадара Стейнберга из Института физики Ракаха и Центра нанонауки и нанотехнологий Еврейского университета в Иерусалиме. Результаты исследования были опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Два сверхпроводящих состояния, замаскированные под одним
Применяя высокочувствительную туннельную спектроскопию, исследователи установили, что NbSe2 не ведёт себя как обычный сверхпроводник, управляемый лишь одним сверхпроводящим параметром. Вместо этого в нём сосуществуют два различных сверхпроводящих порядка, взаимодействующих столь слаженно, что внешне они напоминают единое целое.
Аналогичное скрытое поведение было обнаружено и в близкородственном соединении TaS2.
«Это немного похоже на то, как если бы вы слушали, что звучит как одинокий певец, а затем понимали, что на самом деле это идеально синхронизированный дуэт», — поделились авторы открытия.
Сделанное открытие объясняет загадку, остававшуюся неразрешённой долгие годы. Классические теоретические построения не позволяли в точности воспроизвести детальную форму сверхпроводящей энергетической щели, которую наблюдали в более ранних экспериментах.
Применив усложнённую модель, учитывающую два разных сверхпроводящих порядка, исследователи смогли с гораздо большей точностью описать экспериментальные данные. Тот же подход объясняет и поведение материалов при воздействии магнитных полей.
Ещё более сложная картина сверхпроводимости
Полученные результаты указывают на дополнительные сложности, возникающие в более толстых образцах. Судя по данным, объёмный NbSe2 может демонстрировать сразу три взаимодействующих сверхпроводящих порядка, что свидетельствует о том, что сверхпроводимость в этих материалах гораздо богаче, чем предполагалось ранее.
Обнаружение скрытой структуры может в конечном счёте позволить исследователям создавать сверхпроводящие материалы и устройства с большей контролируемостью и безопасностью. По мере внедрения квантовых компьютеров, сверхэффективной электроники и других передовых технологий детальное понимание того, как формируются пары электронов внутри сверхпроводников, становится всё более важным.