Австрийским ученым удалось выяснить, что происходит с электронами в сверхпроводнике в определенных условиях. Им удалось установить причину аномального поведения элементарных частиц и разработать модель, объясняющую это поведение.
Некоторые вещества способны проводить электрический ток без потерь, однако это происходит лишь при экстремально низких температурах. Такое явление известно как низкотемпературная сверхпроводимость. Открытие материала, сохраняющего сверхпроводящие свойства при комнатной температуре, стало бы причиной значительных технологических изменений. Ученые всего мира ищут такие высокотемпературные сверхпроводники.
Купраты, являющиеся хорошо изученным классом высокотемпературных сверхпроводников, демонстрируют неожиданное свойство: движение электронов ограничено лишь некоторым количеством направлений. Квантовые состояния электронов представлены кривыми, которые называются дугами Ферми.
Некоторые дуги Ферми неожиданно прерываются, и это явление не поддавалось объяснению с помощью существующих теоретических моделей. Австрийские ученые из Технического университета Вены смогли создать аналитическую модель, описывающую процессы в купратах, и тем самым объяснить причину разрыва в дугах Ферми.
Антиферромагнитное взаимодействие атомов стало ключевым фактором, объясняющим разрыв в последовательности разрешенных состояний электронов. Антиферромагнетизм характеризуется тем, что магнитные моменты соседних атомов ориентированы в противоположные стороны. В результате магнитные моменты электронов атомов выстраиваются поочередно, подобно расположению клеток на шахматной доске, где каждая клетка имеет цвет, отличающийся от цвета соседних.
Этот магнитный узор вызывает необычное поведение электронов, зависящее от направления. Впервые ученые представили теоретическую модель, объясняющую, почему ферми-дуги внезапно обрываются и почему движение электронов в таких материалах возможно лишь в определенных направлениях.
Для моделирования явления были применены сложные компьютерные симуляции, а также разработана аналитическая модель, позволяющая описывать его с помощью несложной формулы. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.
Электронные состояния на дугах Ферми не меняются, однако в области разрыва наблюдаются сложные процессы. В области поверхности Ферми – геометрического представления энергетического пространства, определяющего максимальные энергии, которым могут обладать электроны в данном материале образуется разрыв, формируется Латтингера. Это область, в которой электроны точно не описываются стандартными моделями.
Понимание механизма возникновения разрыва имеет решающее значение для изучения поведения электронов в материалах с высокотемпературной сверхпроводимостью. Дуги Латтингера свидетельствуют о существенных изменениях в структуре электронных состояний. Анализ этих структур позволяет ученым лучше понять, как квантовые взаимодействия влияют на движение частиц в сверхпроводниках, что может привести к созданию новых материалов с улучшенными характеристиками.