Зоряна Білокрай
Міжнародна команда фізиків повідомила про виявлення надпровідного матеріалу з надзвичайно незвичайною поведінкою. Ідеться про сполуку ітербію та сурми YbSb2, яка за температури, близької до абсолютного нуля, не лише втрачає електричний опір, а й демонструє ознаки порушення симетрії щодо обернення часу. Таке поєднання властивостей може допомогти науковцям краще зрозуміти природу екзотичної надпровідності та перспективи використання подібних матеріалів у квантових технологіях.
Відкриття стало результатом роботи дослідників з Індійського інституту наукової освіти та досліджень у Бхопалі спільно з колегами з інших наукових установ. У лабораторних умовах фізики виростили монокристали YbSb2, а потім детально вивчили їхню хімічну структуру, електричні характеристики та магнітну поведінку. Для цього застосували рентгенівський аналіз, вимірювання теплоємності й мюонну спінову спектроскопію.
Надпровідник, який працює майже за абсолютного нуля
Надпровідність є особливим станом речовини, за якого електричний опір матеріалу зникає. У звичайному провіднику частина енергії електронів втрачається через зіткнення з атомами кристалічної решітки, тому струм поступово слабшає й супроводжується виділенням тепла. У надпровідному стані електрони переміщуються узгоджено, без звичних втрат енергії.
YbSb2 переходить у такий стан приблизно за температури мінус 272 градуси Цельсія. Це лише трохи вище абсолютного нуля, який відповідає мінус 273,15 градуса Цельсія. За таких умов опір матеріалу падає до нуля, що є однією з головних ознак надпровідності. Для досягнення необхідного охолодження потрібне складне кріогенне обладнання, тому йдеться передусім про фундаментальне дослідження, а не про готовий матеріал для побутових пристроїв.
Додатковий аналіз показав, що YbSb2 належить до надпровідників першого типу. Така класифікація особливо цікава для цієї роботи, оскільки раніше явища, пов’язані з порушенням симетрії обернення часу, найчастіше обговорювали в контексті більш складних надпровідників другого типу. Нові результати розширюють перелік матеріалів, у яких можуть виникати подібні квантові ефекти.
Учені також досліджували питому теплоємність кристалів. Цей показник дає змогу оцінити, як у матеріалі поводяться електрони та інші збудження під час зміни температури. Перехід до надпровідного стану залишив характерний слід у вимірюваннях, що підтвердило реальність фазового переходу, а не випадкову зміну електричних властивостей.
Що означає порушення симетрії обернення часу
У фундаментальній фізиці симетрія обернення часу означає, що рівняння, які описують систему, зберігають свою форму, якщо умовно змінити напрямок перебігу часу на протилежний. Це не означає, що в реальному світі час може фізично рухатися назад. Ідеться про математичну перевірку: чи залишиться поведінка системи узгодженою із законами фізики після такої заміни.
У багатьох матеріалах ця симетрія зберігається навіть після переходу в надпровідний стан. Проте деякі незвичайні типи надпровідності можуть призводити до її спонтанного порушення. У такому разі матеріал набуває властивостей, які відрізняються залежно від умов, пов’язаних із напрямком магнітних моментів та перебігом квантових процесів.
Для перевірки цієї гіпотези дослідники скористалися мюонною спіновою спектроскопією. Мюони є нестабільними субатомними частинками, які можна використовувати як надзвичайно чутливі датчики внутрішнього магнітного середовища. Потрапляючи в матеріал, вони певний час зберігають інформацію про локальні магнітні поля, після чого розпадаються. Аналіз цього процесу дозволяє визначити, чи є всередині зразка приховані магнітні ефекти.
Найважливіший результат отримали без прикладання зовнішнього магнітного поля. Після охолодження YbSb2 до надпровідного стану прилади зафіксували появу слабких спонтанних внутрішніх магнітних полів. Їхня інтенсивність була невеликою, але сам факт виникнення став важливою ознакою порушення симетрії обернення часу.
Магнітне поле має напрямок, і під час математичного обернення часу цей напрямок змінюється. Якщо поле виникає в матеріалі самостійно, без зовнішнього впливу, це може свідчити про те, що надпровідний стан обрав один із кількох можливих варіантів із різною орієнтацією магнітних моментів. Іншими словами, система спонтанно переходить у стан, який уже не є повністю симетричним щодо обернення часу.
Незвичайні електронні пари та перспективи квантових технологій
Ключ до незвичайної поведінки YbSb2 може бути пов’язаний із тим, як електрони об’єднуються в куперівські пари. У традиційному поясненні надпровідності два електрони утворюють зв’язаний стан, який рухається крізь кристалічну решітку узгоджено з іншими парами. Завдяки цьому виникає колективний квантовий стан, у якому електричний струм може текти без опору.
У новому матеріалі, за припущеннями дослідників, формуються не звичайні синглетні, а триплетні куперівські пари. У таких парах спіни електронів мають іншу конфігурацію. Це може надавати системі додаткові магнітні властивості та пояснювати, чому всередині надпровідника виникають слабкі поля навіть за відсутності зовнішнього магнітного впливу.
Теоретичні розрахунки вказують, що електрони в таких парах можуть походити з різних енергетичних орбіталей. Через це їхня взаємодія стає складнішою, ніж у класичних моделях надпровідності. Автори описують можливий стан як внутрішньо антисиметричний неунітарний триплетний стан. Він допускає неповне взаємне компенсування магнітних моментів електронів, тому матеріал може мати власну магнітну структуру.
Окремий інтерес становить можливість появи поверхневих мод Майорани. Це особливі квантові збудження, які в певному сенсі поводяться як власні античастинки. За теоретичними моделями, вони можуть існувати на поверхні топологічних надпровідників, тоді як усередині матеріалу зберігається надпровідний стан.
Майораноподібні збудження розглядають як потенційно важливий елемент майбутніх квантових обчислень. Квантова інформація зазвичай дуже чутлива до нагрівання, електромагнітного шуму та інших зовнішніх впливів. Якщо інформацію вдасться кодувати в особливих топологічних станах, вона може стати стійкішою до локальних помилок і випадкових збурень.
Проте виявлення можливих поверхневих мод ще не означає, що YbSb2 вже можна використовувати у квантових комп’ютерах. Для цього необхідно підтвердити природу таких збуджень за допомогою незалежних експериментів, дослідити їхню стабільність і навчитися керувати ними. Також важливо з’ясувати, як матеріал поводиться за різних температур, тиску, магнітних полів та інших умов.
На цьому етапі головне значення роботи полягає в розширенні уявлень про те, якою може бути надпровідність. YbSb2 демонструє, що навіть матеріал першого типу здатен поєднувати нульовий електричний опір, незвичну структуру куперівських пар і ознаки порушення симетрії щодо обернення часу. Подальше вивчення цієї сполуки може допомогти фізикам краще зрозуміти механізми виникнення екзотичних квантових станів та визначити, чи мають вони практичний потенціал для технологій майбутнього.