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.

  Могут ли гравитационные волны рассказать, как быстро расширяется наша Вселенная?

«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.

  Ученые обнаружили новый магнитный элемент

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.

Источник: ab-news.ru

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться для отправки комментария.