Фізики з Массачусетського технологічного інституту продемонстрували екзотичну форму надпровідності в новому матеріалі, синтезованому командою всього близько року тому. Хоча цей тип надпровідності передбачався в 1960-х роках, досі було важко стабілізувати цей тип надпровідності. Крім того, вчені виявили, що одним і тим же матеріалом потенційно можна маніпулювати для прояву ще однієї, настільки ж екзотичної форми надпровідності.
Демонстрація надпровідності з кінцевим імпульсом у шаленому кристалі, відомому як природна надрешітка, означає, що матеріал можна налаштовувати для створення різних структур надпровідності в одному і тому ж зразку. А це, в свою чергу, може мати наслідки для квантових обчислень і не тільки.
Також очікується, що цей матеріал стане важливим інструментом для розкриття секретів нетрадиційних надпровідників. Це може бути корисно для нових квантових технологій. Розробка таких технологій є складним завданням, почасти тому, що матеріали, з яких вони складаються, можуть бути важкими для вивчення. Новий матеріал може спростити таке дослідження.
«Важливою темою нашого дослідження є те, що нова фізика народжується з нових матеріалів», - говорить Джозеф Чекельскі, автор дослідження. "Наш початковий звіт минулого року був про цей новий матеріал. Ця нова робота повідомляє про нову фізику ".
Новий квантовий матеріал
Класичну фізику можна використовувати для пояснення будь-яких явищ, що лежать в основі нашого світу, - до тих пір, поки речі не стануть надзвичайно маленькими. Субатомні частинки, такі як електрони і кварки, поводяться по-різному, і їхня поведінка досі повністю не вивчена. Необхідна квантова механіка, область, яка намагається пояснити їх поведінку і результуючі ефекти.
Тепер вчені відкрили новий квантовий матеріал, який проявляє екзотичні властивості квантової механіки на макроскопічному рівні. В даному випадку розглянутий матеріал є надпровідником.
Вони пояснюють, що порівняно недавно стався бум створення спеціальних надпровідників, які є почесними або мають товщину всього в кілька атомних шарів. Ці нові ультратонкі надпровідники становлять інтерес частково тому, що вони повинні дати уявлення про саму надпровідність.
Але є проблеми. По-перше, матеріали товщиною всього в кілька атомних шарів самі по собі важко вивчати, тому що вони дуже крихкі. Чи може бути інший підхід до розкриття їхніх секретів?
Новий матеріал, створений вченими, можна розглядати як надпровідний еквівалент шарового пирога, де один шар являє собою ультратонку плівку надпровідного матеріалу, а наступний - ультратонкий розділовий шар, який захищає його. Укладання цих шарів один на одного призводить до утворення великого кристала (це відбувається природним чином, коли складові елементи сірка, ніобій і барій нагріваються разом). "І цей макроскопічний кристал, який я можу тримати в руці, веде себе як почесний надпровідник. Це було дуже дивно ", - каже Джозеф Чекельскі.
Багато із зондів, які вчені використовують для вивчення 2D-надпровідників, складно використовувати на атомарно тонких матеріалах. Оскільки новий матеріал настільки великий, «тепер у нас є набагато більше інструментів [для його характеристики]», - говорить Джозеф Чекельскі. Фактично, для роботи, представленої в цій статті, вчені використовували метод, що вимагає великих зразків.
Екзотичні надпровідники
Надпровідник особливим чином несе заряд. Замість одного електрона заряд переноситься двома електронами, пов'язаними разом у так званій куперівській парі. Однак не всі надпровідники однакові. Деякі незвичайні форми надпровідності можуть з'явитися тільки тоді, коли куперівські пари можуть безперешкодно переміщатися через матеріал на відносно великі відстані. Чим більша відстань, тим «чистіший» матеріал.
Новий матеріал гранично порожній. У результаті фізики були схвильовані, щоб побачити, чи може він проявляти незвичайний надпровідний стан, що він і робить. У поточній статті команда показує, що їх новий матеріал є надпровідником з кінцевим імпульсом при програмі магнітного поля. Цей особливий вид надпровідності, який був запропонований ще в 1960-х роках.
У той час як надпровідність зазвичай руйнується помірними магнітними полями, надпровідник з кінцевим імпульсом може зберігатися і далі, утворюючи регулярну структуру областей з великою кількістю куперівських пар і областей, у яких їх немає. Виявляється, таким надпровідником можна маніпулювати, щоб сформувати безліч незвичайних набоїв при переміщенні куперівських пар між квантово-механічними орбітами, відомими як рівні Ландау. А це означає, що тепер вчені повинні мати можливість створювати різні моделі надпровідності в одному і тому ж матеріалі.
"Це вражаючий експеримент, який може продемонструвати рух куперівських пар між рівнями Ландау в надпровіднику, чого раніше ніколи не спостерігалося. Чесно кажучи, я ніколи не очікував побачити це в кристалі, який ви могли б тримати в руці, так що це дуже захоплююче. Щоб спостерігати цей невловимий ефект, авторам довелося провести копіткі і високоточні вимірювання на унікальному почесному надпровіднику, який вони раніше виявили. Це чудове досягнення не тільки по своїй технічній складності, але і по своїй хитрості ", - говорить Кайл Шен, професор фізики Корнельського університету.
Крім того, фізики зрозуміли, що в їхньому матеріалі також є інгредієнти для ще одного екзотичного виду надпровідності. Топологічна надпровідність передбачає рух заряду по краях або кордонах. У цьому випадку цей заряд може пересуватися по краях кожного внутрішнього надпровідного малюнка.
Команда вчених в даний час працює над тим, щоб з'ясувати, чи дійсно їх матеріал здатний до топологічної надпровідності. Якщо так, то «чи можемо ми об» єднати обидва нові типи надпровідності? Що це може принести? "- запитує Джозеф Чекельскі.
«Було дуже незвично усвідомити цей новий матеріал», - підсумовує він. "У міру того, як ми заглиблювалися в розуміння того, що він може робити, нас чекав ряд сюрпризів. Це дійсно захоплююче, коли з'являються нові речі, яких ми не очікуємо ".