Группа физиков из разных стран, работающая под руководством исследователей из Йельского университета в США, предоставила наиболее весомые на данный момент свидетельства существования нового класса сверхпроводящих материалов. Полученные доказательства существования нематической фазы вещества представляют собой значительный научный прогресс, который может привести к разработке сверхпроводимости с использованием принципиально новых подходов.
В рамках теории сверхпроводимости существует направление, изучающее, как возможность протекания электрического тока без потерь может быть связана с электронной нематичностью — особым фазовым состоянием вещества, характеризующимся нарушением вращательной симметрии частиц.
В химических соединениях, теоретически способных обеспечивать существование нематической фазы, при комнатной температуре для электрона горизонтальные и вертикальные направления потенциального движения неразличимы по свойствам. Однако при более низких температурах электроны могут перейти в «нематическую» фазу. В ней одно из направлений становится для частиц предпочтительным. Иногда электроны могут начать колебаться, отдавая предпочтение то одному, то другому направлению. Это явление называется нематическими флуктуациями.
Несмотря на многолетние безуспешные попытки подтвердить существование сверхпроводимости, обусловленной нематическими флуктуациями, физикам удалось установить наличие необходимой фазы вещества в соединении селенидов железа и серы.
«Эти материалы представляют собой прекрасный объект для нашего исследования, так как они обладают нематическим порядком и проявляют сверхпроводимость, не сопровождающуюся магнетизмом, что усложняет их изучение», — отметил Эдуардо Х. да Силва Нето ( Eduardo H. da Silva Neto), руководитель проекта.
Экспериментальные образцы были охлаждены учеными до температуры ниже 500 милликельвинов. При таких условиях движение и колебания атомов практически останавливаются. Чтобы изучить материал, авторы статьи использовали сканирующий туннельный микроскоп (СТМ), который позволяет получать изображения квантовых состояний электронов.
Исследователи сконцентрировались на образцах с наибольшим количеством нематических флуктуаций, чтобы выявить «энергетическую щель», которая является индикатором наличия и степени сверхпроводимости. Экспериментальные данные подтвердили наличие ожидаемого разрыва. Он точно соответствовал теоретическим параметрам сверхпроводимости, вызванной электронной нематичностью.
«Подтвердить наличие разрыва оказалось непростой задачей, поскольку для точного измерения необходимо проводить сложные измерения с помощью СТМ при крайне низких температурах. В дальнейшем планируется более детальное изучение этого процесса. Предстоит выяснить, как изменение содержания серы повлияет на сверхпроводимость: исчезнет ли она или вернутся спиновые флуктуации? — такими перспективы обозначил да Силва Нето.
Ранее исследования в области сверхпроводимости часто концентрировались на магнитных характеристиках, однако сейчас ученые могут перенести акцент на другие аспекты. Одним из перспективных направлений является управление нематическими флуктуациями, что может открыть путь к созданию сверхпроводников с улучшенными температурными характеристиками.
Результаты экспериментов опубликованы в журнале Nature Physics.