Когда электрический ток проходит по проводу, он выделяет тепло - принцип, который используется в тостерах и лампах накаливания. Некоторые материалы при низких температурах нарушают этот закон и проводят ток без потери тепла. Но это, казалось бы, тривиальное свойство, сверхпроводимость, сейчас находится на переднем крае нашего понимания физики.
В журнале Science Андреа Бьянки, профессор кафедры физики Университета Монреаля, и его коллеги показывают, что, вопреки прежним представлениям, сверхпроводимость может индуцировать магнетизм, что поставило новую квантовую загадку.
Используя швейцарский источник нейтронов расщепления (SINQ) Института Пауля-Шеррера (PSI) в Филлигене, международная исследовательская группа под руководством Мишеля Кензельмана, ученого из Института Пауля Шеррера и профессора Швейцарского федерального института Technology Zurich обнаружил сверхпроводник, обладающий двумя удивительными квантовыми свойствами. Во-первых, материал в сверхпроводящем состоянии проявляет магнитный порядок, что является неожиданностью, учитывая, что сверхпроводимость и магнетизм не могут быть легко объединены в одном и том же материале.
Во-вторых, эксперименты SINQ показывают, что электронные пары, образующие сверхпроводящее состояние, имеют ненулевой импульс, в отличие от того, что наблюдается во всех других известных сверхпроводниках. Такое состояние было предсказано теоретически много лет назад, но никогда не обнаруживалось под микроскопом.
Магнетизм и сверхпроводимость
Перенос электрического тока в проводнике связан со смещением электронов: столкновения между этими электронами и ионами кристалла вызывают сопротивление и выделяют тепло. В сверхпроводниках ниже температуры перехода в сверхпроводящее состояние электроны образуют пары, что позволяет им, благодаря квантовой механике, синхронизировать свое движение с ионами, и все они занимают одно и то же квантовое состояние. Электроны в их нормальном состоянии можно рассматривать как пешеходов в час пик на общественной площади, тогда как электронные пары подобны парам, вальсирующим в ритме музыки, не сталкиваясь.
У электрона есть заряд, но, как и у крошечного магнита, у него также есть магнитный момент, называемый спином. В синглетном сверхпроводнике электронные пары образованы электронами с противоположным спином, что компенсирует магнитный момент пары. Но когда материал помещается в сильное магнитное поле, спины вынуждены ориентироваться вдоль поля, так как поле действует на каждый спин индивидуально. Обычно это разрывает пары и разрушает сверхпроводимость. Магнитные поля внутри магнитоупорядоченного материала имеют тенденцию действовать одинаковым образом, и, таким образом, сверхпроводимость и магнетизм стремятся избегать друг друга, хотя они не всегда исключают друг друга.
По словам Мишеля Кензельмана, «сверхпроводимость и магнетизм подобны двум группам хищников, сражающихся за одну и ту же территорию».
Сверхпроводимость с магнитными последствиями
В эксперименте, опубликованном в журнале Science, ученые охладили монокристалл CeCoIn5, соединения металла, состоящего из церия, кобальта и индия, до температуры минус 273,1 градуса, близкой к абсолютному нулю. К своему большому удивлению, они обнаружили, что магнетизм и сверхпроводимость сосуществуют и исчезают одновременно, когда они нагревают образец или увеличивают магнитное поле.
Это открытие является экстраординарным, поскольку магнитный порядок существует исключительно тогда, когда этот образец находится в сверхпроводящем состоянии. В этом уникальном случае магнетизм и сверхпроводимость не конкурируют друг с другом. Вместо этого сверхпроводимость порождает магнитный порядок.
«Наши результаты ясно показывают, что сверхпроводимость является условием, необходимым для установления этого магнитного порядка», - говорит Кензельманн.«Наша работа, наконец, дает возможность понять, как сверхпроводящие пары образуются в материалах, где это вызвано магнитным взаимодействием. Мы также надеемся, что наши результаты позволят разработать новые технологические приложения в ближайшем будущем».
Новые пары
Исследовательская группа также сделала второе открытие, подробно описанное в статье Science, - как электронные пары в сверхпроводящем состоянии в сильном магнитном поле имеют конечный импульс. Во всех других известных сверхпроводниках пары образуют состояние с нулевым импульсом. Наблюдение такого состояния в этом эксперименте, предсказанное теоретиками несколько десятилетий назад, является первым экспериментальным доказательством такого нового состояния материи.
Эти два результата впервые позволяют напрямую обратиться к вопросам о связи между магнетизмом и сверхпроводимостью. Ответы, которые будут получены в ближайшие годы, позволят лучше понять этот увлекательный аспект квантовой механики и могут даже привести к открытию новых технологически важных сверхпроводящих материалов.