Группа ученых из Университета Брауна предоставила новые доказательства экзотического сверхпроводящего состояния, впервые предсказанного полвека назад, которое может возникнуть, когда сверхпроводник подвергается воздействию сильного магнитного поля. Магнетизм разбивает электронные пары Купера, что в свою очередь обеспечивает сверхпроводимость. Последнее исследование показывает, что эти неспаренные электроны собираются в дискретные полосы вдоль сверхпроводящего материала. Эти полосы остаются сверхпроводящими.

Сверхпроводники и магнитные поля, как правило, не дружат. Но группа ученых доказала, что при воздействии мощного магнитного поля сверхпроводник может проявить экзотическое сверхпроводящее состояние. Впервые об этом заговорили еще пятьдесят лет назад.

«Понадобилось 50 лет, чтобы показать, что это явление действительно имеет место, — пишет Phys.org со слов Весны Митрович, ведущего профессора физики, который руководил работой. — Мы определили микроскопическую природу этого экзотического квантового состояния материи».

Исследование было опубликовано в Nature Physics.

Сверхпроводимость — способность проводить электрический ток без сопротивления — зависит от формирования сдвоенных электронов, известных как куперовские пары (по имени Леона Купера, физика из Университета Брауна, который получил Нобелевскую премию за выявление этого феномена). В обычном проводнике электроны «дребезжат» по всей структуре материала, что создает сопротивление. Но куперовские пары движутся согласованно таким образом, что это удерживает их от суеты и позволяет путешествовать без сопротивления.

Магнитные поля — враг куперовских пар. Для того чтобы сформировать пару, электроны должны быть противоположными по качеству спина. Обычно сверхпроводящий материал обладает примерно равным количеством электронов с определенным спином, поэтому у каждого из них есть «партнер по танцу». Сильное магнитное поле может переворачивать спины электронов «сверху вниз», тем самым нарушая баланс.

«Вопрос в том, что происходит, когда у нас больше электронов с одним спином, нежели других? — говорит Митрович. — Что происходит с теми, у которых нет пары? Можем ли мы образовать сверхпроводящее состояние при таких условиях, и как оно будет выглядеть тогда?».

В 1964 году физики предположили, что сверхпроводимость действительно может сохраняться в определенных типах материалов при магнитном поле. В основу предположения легло то, что электроны собираются в дискретные полосы или ленты по всему сверхпроводящему материалу. Эти полосы будут обычными проводниками, в то время как остальная часть материала будет сверхпроводящей. Такое состояние получило название FFLO (аббревиатура фамилий теоретиков Питера Фульде, Ричарда Феррелла, Анатолия Ларкина и Юрия Овчинникова, которые предположили его существование).

Чтобы исследовать это явление, Митрович и ее команда использовали органический сверхпроводник со сложным названием k-(BEDT-TTF)2Cu(NCS)2. Этот материал состоит из сверхтонких листов, сложенных друг на друга, и именно он проявляет состояние FFLO.

После применения мощного магнитного поля к материалу, Митрович и ее сотрудники из Французской национальной лаборатории высоких магнитных полей в Гренобле исследовали его свойства с помощью ядерного магнитного резонанса (ЯМР).

Ученые обнаружили регионы по всему материалу, в которых собрались беспарные электроны с верхним спином. Эти «поляризованные» электроны ведут себя «как маленькие частицы, забитые в коробку», говорит Митрович, и образуют так называемые связанные состояния Андреева.

«Что примечательно в этих связанных состояниях, так это то, что они позволяют проводить сверхтоки через несверхпроводящие регионы, — говорит Митрович. — Таким образом, ток может проходить без сопротивления через весь материал в таком сверхпроводящем состоянии».

В течение многих лет экспериментаторы пытались предоставить убедительные доказательства существования FFLO, но все без толку. Митрович и ее коллеги предприняли несколько нелогичных попыток, чтобы достичь успеха. В частности, исследовали материал при гораздо более высокой температуре, чем необходимо для квантовых экспериментов.

«Обычно для наблюдения квантовых состояний вам нужен максимальный холод, который ограничит тепловое движение, — говорит Митрович. — Но путем повышения температуры мы увеличили энергетическое окно, в которое смог заглянуть наш зонд ЯМР и найти искомое нами состояние. Это был прорыв».

Новое понимание того, что происходит, когда спин собрания электронов становится неравным, может иметь последствия не только для сверхпроводимости, считает Митрович.

Оно может помочь астрофизикам понять пульсары — плотно упакованные нейтронные звезды, которые, как полагают, являются одновременно сверхпроводящими и обладают сильным магнитным полем. Также оно может иметь отношение к спинтронике, области устройств, которые работают на основе электронного спина, а не заряда; в основном они создаются из слоистых ферромагнитных сверхпроводящих структур.

«На самом деле, наша работа выходит за рамки проблем сверхпроводимости, — говорит Митрович. — Она имеет значение для объяснения других вещей во Вселенной, включая поведение плотных кварков, частиц, которые составляют атомные ядра».