Тайна экзотического вида сверхпроводимости раскрыта - показано, что ее просто не существует. Теперь было показано, что эффект, который отмечался с 1990-х годов, является стандартной сверхпроводимостью. Тем не менее, это осознание приводит к новым важным идеям.
Однократный результат измерения не является доказательством - это снова и снова доказывалось в науке. Мы можем по-настоящему полагаться на результат исследования только в том случае, если он был измерен несколько раз, предпочтительно разными исследовательскими группами, немного разными способами. Таким образом, ошибки обычно могут быть обнаружены рано или поздно.
Однако новое исследование, проведенное профессором Андреем Пустоговым из Института физики твердого тела Технического университета Вены вместе с другими международными исследовательскими группами, показывает, что иногда это может занять довольно много времени. Исследование рутената стронция, материала, который играет важную роль в нетрадиционной сверхпроводимости, теперь опровергло эксперимент, получивший известность в 1990-х годах: считалось, что открыта новая форма сверхпроводимости. Однако теперь выясняется, что этот материал ведет себя очень похоже на другие хорошо известные высокотемпературные сверхпроводники. Тем не менее, это важный шаг вперед для исследований.
Две частицы со связанным спином
Сверхпроводимость - одна из величайших загадок физики твердого тела: некоторые материалы полностью теряют электрическое сопротивление при низких температурах. Этот эффект до сих пор полностью не изучен. Однако несомненно то, что так называемые «куперовские пары» играют центральную роль в сверхпроводимости.
В обычном металле электрический ток состоит из отдельных электронов, которые сталкиваются друг с другом и с атомами металла. В сверхпроводнике электроны движутся парами. «Это резко меняет ситуацию, - объясняет Андрей Пустогов. «Это похоже на разницу между толпой на оживленной торговой улице и, казалось бы, легким движением танцующей пары на танцполе». Когда электроны связаны в куперовские пары, они не теряют энергию за счет рассеяния и беспрепятственно перемещаются в материале. Важнейший вопрос: какие условия приводят к образованию куперовских пар?
"С точки зрения квантовой физики важным является спин этих двух электронов", - говорит Андрей Пустогов. Спин - это магнитный момент электрона, который может быть направлен либо «вверх», либо «вниз». Однако в куперовских парах возникает связь: в «синглетном» состоянии спин одного электрона направлен вверх, а спин другого - вниз. Магнитные моменты компенсируют друг друга, и общий спин пары всегда равен нулю.
Однако это правило, которому следуют почти все сверхпроводники, оказалось нарушенным куперовскими парами в рутенате стронция (Sr2RuO4). В 1998 году были опубликованы результаты, указывающие на куперовские пары, в которых спины обоих электронов направлены в одном направлении (тогда это так называемый «спиновый триплет»). «Это позволит использовать совершенно новые приложения», - объясняет Андрей Пустогов. «Такие триплетные куперовские пары больше не будут иметь общий спин, равный нулю. Это позволит манипулировать ими с помощью магнитных полей и использовать для передачи информации без потерь, что было бы интересно для спинтроники и возможных квантовых компьютеров».
Это вызвало настоящий ажиотаж, не в последнюю очередь потому, что рутенат стронция считался особенно важным материалом для исследования сверхпроводимости и по другим причинам: его кристаллическая структура идентична структуре купратов, обладающих высокотемпературной сверхпроводимостью. В то время как последние специально легированы «примесями», чтобы сделать сверхпроводимость возможной, Sr2RuO4 уже является сверхпроводящим в чистом виде.
Новое измерение, новый результат
«На самом деле мы изучали этот материал совсем по другому поводу, - говорит Андрей Пустогов. «Но в процессе мы поняли, что эти старые измерения не могут быть правильными». В 2019 году международная команда смогла показать, что якобы экзотический спиновой эффект был всего лишь артефактом измерения: измеренная температура не соответствовала фактической температуре исследуемого образца; на самом деле исследуемый в то время образец вообще не был сверхпроводящим. Имея это в виду, сверхпроводимость материала была пересмотрена с большой точностью. Новые результаты ясно показывают, что рутенат стронция не является триплетным сверхпроводником. Скорее свойства соответствуют тому, что уже известно по купратам.
Однако Андрей Пустогов не находит это разочаровывающим: «Этот результат продвинул наше понимание высокотемпературной сверхпроводимости в этих материалах еще на один шаг вперед. Открытие того, что рутенат стронция ведет себя аналогично купратам, означает две вещи: С одной стороны, это показывает, что мы имеем дело не с экзотическим, новым явлением, а с другой стороны, это также означает, что в нашем распоряжении есть новый материал, на котором мы можем исследовать уже известные явления». Сверхчистый рутенат стронция подходит для этого лучше, чем ранее известные материалы. Он предлагает гораздо более чистое тестовое поле, чем купраты.
Кроме того, можно узнать кое-что и о надежности старых, общепринятых публикаций: «На самом деле можно подумать, что результаты по физике твердого тела едва ли могут быть ошибочными», - говорит Пустогов. «В то время как в медицине вам, возможно, придется довольствоваться несколькими лабораторными мышами или выборкой из тысячи испытуемых, мы исследуем миллиарды миллиардов (около 10 в 19-й степени) электронов в одном кристалле. Это повышает достоверность наших результатов. Но это не значит, что каждый результат полностью правильный. Как и везде в науке, в нашей области необходимо воспроизведение предыдущих результатов, а также их фальсификация».