Scienty

Благодаря квазичастицам, обладающим уникальным зарядом, удалось разрешить противоречивые характеристики. Если разработанная теория получит экспериментальное подтверждение, то это откроет путь к созданию принципиально новых квантовых материалов.

Фото: img.freepik.com

Свойства сверхпроводимости и магнетизма связаны с особенностями поведения электронов в структуре вещества. Наличие собственного магнитного поля, возникающего за счет выравнивания спинов электронов, определяет магнитные свойства объекта. Сверхпроводником называют вещество, в котором электроны способны к движению без потерь энергии, например, формируя куперовские пары.

На протяжении многих лет ученые придерживались мнения о несовместимости магнетизма и сверхпроводимости. Магнитное поле способно разрушать связи между куперовскими парами, а эффект Мейснера предполагает, что при переходе в сверхпроводящее состояние проводник либо полностью выталкивает магнитное поле, либо пропускает его внутрь в форме вихрей Абрикосова.

В начале 2025 года две исследовательские группы представили результаты своих работ, опубликовав статьи, посвященные материалам, демонстрирующим одновременное проявление свойств сверхпроводимости и магнетизма. Первооткрывателями стали ромбоэдрический графен (вторым — дителлурид молибдена (MoTe₂). В обоих случаях использованные образцы обладают такой малой толщиной, что ученые классифицируют их как двумерные.

По мнению ученых, объединить свойства сверхпроводимости и магнетизма способны квазичастицы, известные как энионы. Их существование было предсказано еще в 1980-х годах, и в процессе разработки теоретического объяснения поведения энионов исследователи выдвинули теорию, что в присутствии магнетизма квазичастицы должны иметь возможность проявлять сверхпроводимость.

После обнаружения таких материалов учеными возникла необходимость в описании процессов, протекающих в них. Физики из Массачусетского технологического института в США предложили такое описание. Статья об этом опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Известно, что для дителлурида молибдена состояние вещества, которое привлекало внимание исследователей, характеризовалось дробным квантовым эффектом Холла, в процессе которого электроны в материале распадались на энионы.

«В системах, содержащих энионы, наблюдается следующее: каждый энион стремится к движению, однако его перемещение затрудняется из-за присутствия других энионов. Подобное затруднение возникает даже при значительном удалении энионов друг от друга. Этот эффект имеет исключительно квантовомеханическую природу», — пояснил первый автор статьи Сентил Тодадри ( Senthil Todadri).

Ученым-физикам потребовалось определить, какие условия необходимы для того, чтобы энионы преодолели состояние «ограниченности» и начали перемещаться как единый, крупномасштабный поток.

Ученые воссоздали условия, способствующие возникновению данного эффекта в MoTe₂, и наблюдали за изменениями в поведении электронов. При условии, что энионы преимущественно имели заряд, составляющий одну треть заряда электрона, система демонстрировала состояние «фрустрации» и проявляла металлическую проводимость. В то время как большинство энионов обладали зарядом, равным двум третям заряда электрона, материал должен проявлять сверхпроводящие свойства. Ученые сообщили, что это совершенно другой механизм образования сверхпроводника — относительно куперовских пар.

В новой статье, опубликованной физиками, утверждается, что сверхпроводящие энионы формируются при конкретном значении электронной плотности. При их первом возникновении в различных точках материала, ученые зафиксировали спонтанное образование вихрей сверхпроводящего тока, демонстрирующих ранее не наблюдавшиеся паттерны. Данное поведение отличается от того, что свойственно обычным сверхпроводникам, и именно его экспериментаторам удастся искать для подтверждения опубликованных расчетов.

«Если наше объяснение, основанное на энионах, оказывается верным для MoTe₂, это позволяет начать исследование принципиально нового типа квантовой материи, которое можно обозначить как энионная квантовая материя. Это станет важной вехой в развитии квантовой физики. Однако для подтверждения выдвинутой теории необходимо провести еще значительное количество экспериментов, — заключил Тодадри.