Сверхпроводники — это вещества, способные проводить электрический ток без какого-либо сопротивления, хотя обычно это возможно лишь при крайне низких температурах. Поведение большинства сверхпроводников соответствует известным и тщательно исследованным принципам, но рутенат стронция, С момента выявления сверхпроводящих свойств Sr₂RuO₄ в 1994 году его природа остаётся предметом дискуссий. Несмотря на то, что он считается одним из наиболее чистых и тщательно исследованных нетрадиционных сверхпроводников, ученые продолжают спорить о точной структуре и симметрии электронных пар, ответственных за проявление этих уникальных свойств.
Определить основное сверхпроводящее состояние можно, измерив изменение температуры в процессе сверхпроводящего перехода Tc, при деформации это происходит из-за того, что различные сверхпроводящие состояния по-разному откликаются на растяжение, сжатие или скручивание кристалла. Многие ранние эксперименты, в частности ультразвуковые исследования, указывали на то, что Sr₂RuO₄ может обладать двухкомпонентным сверхпроводящим состоянием — более сложной формой сверхпроводимости, допускающей существование таких необычных явлений, как внутренние магнитные поля или несколько сверхпроводящих областей, одновременно проявляющих сверхпроводимость. Предполагается, что данное двухкомпонентное состояние будет демонстрировать значительную реакцию на сдвиговую деформацию.
Это вдохновило группу исследователей из Киотского университета на использование деформации для изучения истинной природы сверхпроводящего состояния Sr₂RuO₄. Исследователи разработали метод, который позволил применить 3 различных вида деформации сдвига к чрезвычайно тонким кристаллам Sr₂RuO₄.
Деформация сдвига представляет собой вид деформации, при котором происходит смещение части кристалла в сторону, аналогично тому, как верхние карты в колоде сдвигаются относительно нижних. Уровни деформации были тщательно измерены посредством оптической визуализации с высоким разрешением при температуре до 30 градусов Кельвина (−243 градуса по Цельсию). Важным открытием стало то, что температура сверхпроводимости практически не изменилась. Любое изменение Tc было меньше 10 милликельвинов на процент деформации, что фактически ниже предела обнаружения.
Результаты, опубликованные в журнале Nature Communications, аналитические данные демонстрируют, что сдвиговая деформация незначительно влияет на температуру перехода Sr₂RuO₄ в сверхпроводящее состояние. Это противоречит ряду существующих теорий и накладывает существенные ограничения на возможные типы сверхпроводящих состояний. Результаты свидетельствуют о наличии однокомпонентного сверхпроводящего состояния или о более экзотических, ранее не описанных сверхпроводящих состояниях, поведение которых не соответствует теоретическим предсказаниям.
«Полученные нами результаты представляют собой значительный прогресс в понимании одной из самых сложных задач физики твердого тела», — отмечает ведущий автор работы Джордано Маттони, сотрудник Исследовательского центра Toyota Riken при Киотском университете.
Данное исследование фокусируется на определении механизма, приводящего к сверхпроводимости в этом соединении. Однако вопрос остаётся нерешённым: предыдущие ультразвуковые исследования демонстрировали выраженный эффект, обусловленный сдвигом, тогда как новые измерения прямого напряжения не подтвердили его. Разъяснение расхождений между результатами, полученными с помощью этих двух подходов, в настоящее время является приоритетной задачей.
Предложенный в данном исследовании метод управления деформацией может быть использован не только для Sr₂RuO₄, но и для других сверхпроводников, проявляющих многокомпонентные свойства, например, UPt₃, а также для материалов, характеризующихся сложными фазовыми переходами.
[Фото: Shubhankar Paul / Kyoto University]