Физики обнаружили новое состояние сверхпроводимости, связанное с модуляцией куперовских пар.

Чтобы гарантировать отсутствие загрязнений на поверхности образцов, исследователям потребовалось существенно модифицировать установку сканирующей туннельной микроскопии. После этого им удалось обнаружить желаемое состояние.

Сверхпроводимость — это физическое состояние, характеризующееся способностью металлов проводить электрический ток без сопротивления и, следовательно, без потерь энергии. Благодаря этому свойству, она находит широкое применение, например, в аппаратах магнитно-резонансной томографии (МРТ), позволяя врачам проводить исследования внутренних органов. В настоящее время материалы могут достигать сверхпроводимости только при очень низких температурах.

На протяжении многих лет ученые ведут поиск материалов, демонстрирующих сверхпроводимость при обычных температурах. Достижение этой цели способно радикально преобразовать такие области, как медицина, энергетика и квантовые вычисления.

Физики выявили ранее неизвестное сверхпроводящее состояние, связанное с модуляцией плотности куперовских пар. Результаты исследования представлены в статье опубликована в журнале Nature.

В процессе движения электронов через металлическую структуру они взаимодействуют с ионами. Каждое столкновение сопровождается потерей энергии, что приводит к увеличению электрического сопротивления. В сверхпроводниках электроны взаимодействуют посредством притяжения и способны образовывать куперовские пары. При условии, что электроны сохраняют энергетический уровень в относительно узком диапазоне, называемом энергетической щелью, они остаются связанными не теряют энергию при столкновениях. В энергетической щели «живет» сверхпроводимость.

Как правило, энергетическая щель в сверхпроводнике имеет однородность по всему объему материала. В 1960-х годах исследователи высказали предположение о возможности пространственной модуляции энергетической щели в ряде сверхпроводящих веществ, что проявляется в ее переменной величине. Впоследствии эта теория была дополнена идеей о существовании волнового состояния плотности пар ( PDW). Данная часть теории описывает сверхпроводящее состояние, характеризующееся колебаниями энергетической щели между большим и малым значениями.

Исследователи работали с тонкими пластинками сверхпроводника на основе теллура и селена с содержанием железа — FeTe 0,55Se0,45. Физики выявили модуляцию сверхпроводящей щели с минимальной возможной длиной волны, что соответствует расстоянию между атомами в кристалле. Данное явление они назвали модуляцией плотности куперовских пар ( PDM, Cooper-pair density modulation).

«Нам удалось зафиксировать 40-процентную модуляцию щели. Это — наиболее убедительные экспериментальные данные, подтверждающие возможность модуляции щели даже на атомном уровне», — отмечает Линьюань Конг ( Lingyuan Kong), ведущий автор статьи.

Благодаря первым успешным экспериментам по сканирующей туннельной микроскопии железосодержащего сверхпроводника на оборудовании для анализа тонких пленок, удалось совершить прорыв. Ранее подобные исследования почти два десятилетия были затруднены из-за значительного загрязнения поверхности, однако исследовательской группе смогла разработать новый подход, который позволил получить достаточно чистую поверхность для микроскопических исследований.

Авторы также предложили теоретическую модель, объясняющую возможное происхождение наблюдаемой модуляции щели. Согласно их модели, эта модуляция обусловлена состоянием PDM возникает из-за нарушения как подрешеточной симметрии, так и уникальной вращательной симметрии, характерной для тонких пластинок.