Фізики з Коледжу інженерії Ґрейнджера Університету Іллінойсу в Урбана-Шампейн виявили нову форму надпровідної поведінки. Працюючи з металом уран дителурид (UTe2), вони показали, що куперівські пари — зв’язані електрони, які відповідають за надпровідність — можуть впорядковуватися у неоднорідні просторові візерунки й існувати навіть тоді, коли основна надпровідна фаза вже зникла. Про це йдеться в роботі, опублікованій у Proceedings of the National Academy of Sciences, на яку повідомляє Newswise Science News.
Такі візерунки називають хвилями густини пар (pair density waves, PDW). Їх теоретично передбачили близько 20 років тому та вже знаходили разом із надпровідністю в інших металах. Однак тепер дослідники отримали перші прямі докази того, що PDW можуть зберігатися і в «звичайній» фазі, коли надпровідність припиняється.
Фізик Едуардо Фрадкін (Eduardo Fradkin), один із керівників проєкту, порівнює PDW з усмішкою Чеширського кота — «решткою» надпровідності, що лишається, коли сама фаза зникає. У звичайних надпровідниках куперівські пари формуються лише під час фазового переходу. В UTe2 ж їхня поява у вигляді хвиль густини пар вище критичної температури свідчить, що вони виникають заздалегідь, у іншому квантовому стані.
Як працює надпровідність і чим вона стала «незвичайною»
Надпровідність — це стан, у якому метал проводить електричний струм без опору, коли його охолодити нижче певної критичної температури. Вільні електрони при цьому конденсують у низькоенергетичний квантовий стан. Проте окремі електрони є ферміонами, яким квантова механіка забороняє перебувати в одному й тому ж стані, тож механізм конденсації виявився нетривіальним.
У 1957 році фізики Джон Бardeen, Леон Купер та Роберт Шріффер запропонували модель, відому як теорія БКШ (BCS). Вона описує, як електрони опосередковано зв’язуються через кристалічну ґратку металу: кожен електрон утворює зв’язану пару з іншим, формуючи куперівські пари. На відміну від окремих електронів, такі пари є бозонами й можуть співіснувати в одному квантовому стані, утворюючи надпровідну фазу.
Теорія БКШ чудово пояснювала всі відомі на той час спостереження, доки 1986 року не відкрили так звані «незвичайні» надпровідники. Їхня кристалічна структура не відповідає припущенням моделі BCS, хоча електрони все одно формують куперівські пари. Вивчення таких матеріалів і сьогодні залишається активною ділянкою досліджень.
Хвилі густини заряду і пар
Для незвичайних надпровідників характерно, що нижче критичної температури з’являються додаткові квантові фази. Один приклад — хвилі густини заряду (charge density waves, CDW), коли частина електронів упорядковується у періодичні структури: у просторі чергуються області з більшою та меншою електричною густиною.
У 2007 році Фрадкін з колегами запропонували ще одну фазу, що може співіснувати з надпровідністю, — хвилі густини пар. У класичному випадку куперівські пари рівномірно розподілені в металі, але теоретики припустили, що вони теж здатні організовуватися в періодичні візерунки. Згідно з цією теорією, PDW можуть існувати навіть вище критичної температури, тобто куперівські пари формуються ще до появи надпровідної фази.
За словами Фрадкіна, ідея була ризикованою: стан дуже незвичний, а наявні експериментальні натяки не давали прямого підтвердження. Теоретик Джуліан Мей-Манн (Julian May-Mann), який працював над аналізом цієї роботи, підкреслює, що PDW важко ідентифікувати: в одних експериментах вони поводяться як надпровідники, в інших — як хвилі густини заряду. Тому потрібні одночасно дуже якісні дані й детальний теоретичний розбір.
Уран дителурид: кандидат на «дивний» надпровідник
До 2019 року UTe2 вважали звичайним металом, доки в ньому не виявили надпровідність нижче приблизно 2 кельвінів. Подальші дослідження привели фізиків до думки, що це так званий триплетний надпровідник: тут куперівські пари мають власний магнітний момент. Єдиним безсумнівно підтвердженим прикладом подібної «суперфази» довгий час залишався надплинний гелій-3.
Фрадкін зазначає, що дискусії тривають, але на сьогодні наукова спільнота схиляється до того, що UTe2 — саме триплетний надпровідник з особливими властивостями. Це й привернуло увагу експериментальної групи Від’ї Мадгаван (Vidya Madhavan), яка за допомогою скануючої тунельної мікроскопії виявила у зразках цього металу хвилі густини заряду.
Дослідники, однак, зафіксували дивну поведінку: ці хвилі знищувалися під дією магнітного поля. З точки зору фізики CDW — це просто просторово модульований електронний стан, який не повинен так чутливо реагувати на магнітне поле.
Мадгаван разом із теоретиками дійшли висновку, що таку реакцію можна пояснити, якщо в системі одночасно присутні й хвилі густини пар. Інших правдоподібних інтерпретацій майже немає, тож PDW стали основним кандидатом.
«Зникаючі» моди й нові експериментальні можливості
Щоб перевірити цю гіпотезу, команді Мадгаван потрібно було отримати значно якісніші кристали UTe2, адже PDW дуже крихкі й виникають лише в добре впорядкованих структурах. Колеги зростили зразки новим методом розплавленого флюсу, після чого їх дослідили за допомогою скануючого тунельного мікроскопа з векторним магнітним полем. Такий прилад дає змогу змінювати напрямок і величину магнітного поля практично довільно та аналізувати відповідь поверхні матеріалу.
За словами Мадгаван, у попередніх дослідах PDW «ховалися» за домішками в кристалі — це схоже на спробу побачити світло в густому тумані. Поєднання чистіших зразків і нового обладнання дозволило нарешті виокремити потрібні сигнали. Особливо важливо, що UTe2 анізотропний, тобто його властивості змінюються з напрямком, тож векторне поле було критично необхідним.
Постдокторант Чжен Чжу (Zhen Zhu), який проводив експерименти, підкреслює перевагу нової установки: вона забезпечує великий діапазон магнітних полів у кількох напрямках, що добре відповідає сильно анізотропним граничним полям надпровідності UTe2. Систематично змінюючи поле й температуру, дослідники простежили, як змінюються спостережувані моди, і переконалися, що зафіксована поведінка є внутрішньою властивістю матеріалу.
Аналіз «хвиль густини заряду» показав наявність мод, які реагують на температуру та магнітне поле саме так, як очікується для хвиль густини пар, включно з їхнім руйнуванням під дією магнітного поля. Найпереконливішим аргументом стало те, що частина цих мод продовжує існувати вище критичної температури, коли основна надпровідна фаза вже відсутня.
Мей-Манн наголошує, що в конденсованій речовині є фундаментальні принципи, які обмежують, як різні фази можуть з’являтися й зникати при зміні температури або магнітного поля. Будь-яке пояснення, що спирається тільки на CDW, суперечить цим правилам, тоді як сценарій із PDW узгоджується з ними й дає послідовну картину.
Що це означає для подальших досліджень
Хоча скануюча тунельна мікроскопія чутлива лише до поверхневих властивостей, команда вважає результати потужною підказкою щодо того, що відбувається в об’ємі матеріалу. Фрадкін підкреслює, що внутрішня структура може дещо відрізнятися, однак дані все одно дають «дуже сильний натяк» на наявність хвиль густини пар.
Чжен Чжу додає, що особливо обнадійливою є узгодженість різних вимірювань: залежність від температури, магнітного поля та підвищена якість зразків разом склали надзвичайно цілісну картину PDW-стану. На думку дослідників, це відкриває нові напрямки пошуку й вивчення незвичайних надпровідників, у яких куперівські пари можуть «усміхатися» ще довго після зникнення самої надпровідної фази.