Центральный принцип сверхпроводимости заключается в том, что электроны образуют пары. Но могут ли они также сгущаться в четверки? Недавние открытия показали, что могут, и сегодня физик из Королевского технологического института KTH опубликовал первое экспериментальное свидетельство этого учетверяющего эффекта и механизма, с помощью которого возникает такое состояние материи.
В сегодняшнем репортаже в Nature Physics профессор Егор Бабаев и его сотрудники представили доказательства учетверения фермионов в серии экспериментальных измерений материала на основе железа Ba1?xKxFe2As2. Результаты получены почти через 20 лет после того, как Бабаев впервые предсказал такое явление, и через восемь лет после того, как он опубликовал статью, предсказывающую, что это может произойти в материале.
Спаривание электронов обеспечивает квантовое состояние сверхпроводимости, состояние проводимости с нулевым сопротивлением, которое используется в сканерах МРТ и квантовых вычислениях. Это происходит внутри материала в результате связывания двух электронов, а не отталкивания друг друга, как в вакууме. Это явление было впервые описано в теории Леоном Купером, Джоном Бардином и Джоном Шриффером, чья работа была удостоена Нобелевской премии в 1972 году.
Так называемые пары Купера - это, по сути, «противоположности, которые притягиваются». Обычно два электрона, представляющие собой отрицательно заряженные субатомные частицы, сильно отталкиваются друг от друга. Но при низких температурах в кристалле они слабо связаны попарно, что приводит к возникновению устойчивого дальнего порядка. Токи электронных пар больше не рассеиваются от дефектов и препятствий, и проводник может потерять все электрическое сопротивление, став новым состоянием вещества: сверхпроводником.
Только в последние годы теоретическая идея четырехфермионных конденсатов получила широкое признание.
Чтобы возникло состояние учетверения фермионов, должно быть что-то, что препятствует конденсации пар и препятствует их течению без сопротивления, в то же время допуская конденсацию четырехэлектронных композитов, говорит Бабаев.
Теория Бардина-Купера-Шриффера не допускала такого поведения, поэтому, когда экспериментальный сотрудник Бабаева в Техническом университете Дрездена Вадим Гриненко обнаружил в 2018 году первые признаки учетверяющего конденсата фермионов, это бросило вызов многолетним преобладающим научное соглашение.
За этим последовали три года экспериментов и исследований в лабораториях различных учреждений, чтобы подтвердить открытие.
Бабаев говорит, что ключевым среди сделанных наблюдений является то, что фермионные четверные конденсаты спонтанно нарушают симметрию обращения времени. В физике симметрия обращения времени - это математическая операция замены выражения для времени его отрицательным значением в формулах или уравнениях, чтобы они описывали событие, в котором время идет вспять или все движения меняются местами.
Если изменить направление времени на противоположное, фундаментальные законы физики остаются в силе. Это справедливо и для типичных сверхпроводников: если стрела времени повернуться вспять, типичный сверхпроводник останется в том же сверхпроводящем состоянии.
«Однако в случае четырехфермионного конденсата, о котором мы сообщаем, обращение времени переводит его в другое состояние», - говорит он.
«Вероятно, потребуется много лет исследований, чтобы полностью понять это состояние», - говорит он. «Эксперименты открывают ряд новых вопросов, раскрывая ряд других необычных свойств, связанных с его реакцией на температурные градиенты, магнитные поля и ультразвук, которые еще предстоит лучше понять».
В исследовании приняли участие ученые из следующих учреждений: Институт физики твердого тела и материалов, Технический университет Дрездена, Германия; Институт исследования твердого тела и материалов им. Лейбница, Дрезден; Стокгольмский университет; Bergische Universtät в Вуппертале, Германия; Дрезденская лаборатория сильных магнитных полей (HLD-EMFL); Кластер передового опыта Вюрцбург-Дрезден ct.qmat, Германия; Центр Гельмгольца, Германия; Национальный институт передовых промышленных наук и технологий (AIST), Япония; Институт Дени Пуассона, Франция.