Дослідники з Єврейського університету в Єрусалимі показали, що деякі з найкраще вивчених надпровідників приховують складнішу квантову структуру, ніж вважалося раніше. Як повідомляє SciTechDaily, у надтонких шарах матеріалів ніобій диселенід (NbSe₂) та TaS₂ виявили не один, а два сильно зв’язані надпровідні стани, які зовні виглядають як єдиний енергетичний розрив.
Таке відкриття розв’язує давню загадку щодо цих матеріалів і дає точнішу картину того, як саме в них виникає надпровідність. Краще розуміння цього процесу може в майбутньому допомогти створювати матеріали для квантових комп’ютерів, надефективної електроніки, чутливих сенсорів та інших надпровідних технологій.
Надтонкий NbSe₂ виявився «дуетом», а не «соло»
Надпровідники здатні проводити електричний струм без енергетичних втрат, тому їх вважають перспективними для широкого спектра пристроїв. Попри десятиліття досліджень, навіть добре відомі надпровідники можуть приховувати несподівану поведінку.
Ніобій диселенід (NbSe₂) — один із найретельніше вивчених надпровідників. Коли його зводять до кількох атомних шарів, експерименти довгий час вказували на наявність одного надпровідного енергетичного розриву — ключової характеристики, що відображає, як електрони об’єднуються в пари та рухаються без опору.
Однак така «простота» не узгоджувалася з теоріями. Команда під керівництвом професорів Одеда Мілло (Oded Millo) та Хадара Штейнберга (Hadar Steinberg) з Інституту фізики імені Ракаха та Центру нанонауки й нанотехнологій Єврейського університету провела точніші вимірювання. Роботу очолили аспірант Шахар Сімон (Shahar Simon) та магістрантка Майя Кланг (Maya Klang).
Використовуючи високочутливу тунельну спектроскопію, яка дає змогу зондувати електронні стани всередині матеріалу, дослідники з’ясували, що надтонкий NbSe₂ не поводиться як надпровідник з одним «порядком». Натомість у ньому існують два різні надпровідні порядки, які настільки сильно взаємодіють, що в більш грубих вимірюваннях зливаються в один енергетичний розрив.
Подібну приховану поведінку команда виявила й у близького «родича» NbSe₂ — надпровідника TaS₂. Дослідники порівняли це з тим, ніби ви слухаєте одного співака, а потім виявляєте, що це насправді ідеально синхронний дует.
Нова модель пояснила форму енергетичного спектра
Класичні теорії надпровідності не могли відтворити точну форму енергетичного спектра цих матеріалів. Щоб розв’язати цю проблему, фізики застосували більш розширену модель, у якій врахували два окремі, але сильно взаємодіючі надпровідні порядки.
Ця модель змогла одночасно пояснити результати тунельної спектроскопії та те, як змінюються властивості NbSe₂ і TaS₂ під дією магнітного поля. Узгодження теорії з експериментом показало, чому попередні вимірювання створювали враження простої надпровідності, хоча насправді внутрішня структура була значно багатшою.
У товстішому NbSe₂ можуть ховатися вже три стани
Результати також натякають, що в товстішому, «об’ємному» NbSe₂ може існувати вже три взаємодіючі надпровідні порядки, а не два. Це означає, що зі збільшенням товщини матеріалу його надпровідність стає ще складнішою.
Усвідомлення такої прихованої структури дає вченим додаткові важелі керування під час проєктування надпровідних матеріалів і пристроїв. У міру просування до квантових комп’ютерів та надефективної електроніки точне розуміння того, як електрони організовуються та взаємодіють у надпровідниках, стає критично важливим.
Дослідження описано в роботі під назвою «Two-Band Superconductivity in Few-Layer NbSe2 and TaS2», опублікованій у журналі Physical Review Letters.