Физики рассчитали возможные «диверсии» электронов на границе необычных сверхпроводников
Группа специалистов провела новое теоретическое исследование в области фундаментальной физики сверхпроводимости по изучению свойств p-волновых сверхпроводников (p-wave superconductors). Это особые топологические сверхпроводники, которые обладают рядом специфических свойств, ранее считавшихся физически невозможными. Ученые описали явление формирования спонтанных токов на поверхности этих необычных сверхпроводников. Статья опубликована в журнале Superconductor Science and Technology.
В будущем понимание фундаментальной физики p-волновых сверхпроводников может привести к значительному развитию сверхпроводящей электроники. Такие сверхпроводники могут быть эффективно интегрированы в гибридные структуры с ферромагнетиками. Анизотропные свойства необычных сверхпроводников могут послужить для создания принципиально новых элементов электроники, а наличие топологических поверхностных состояний может пригодиться при создании квантового компьютера.
Работа была проведена под руководством заведующего лабораторией топологических квантовых явлений в сверхпроводящих системах МФТИ Александра Голубова и Михаила Куприянова, главного научного сотрудника лаборатории физики наноструктур НИИЯФ МГУ.
Необычная сверхпроводимость
Явление сверхпроводимости проявляется при формировании в веществе новых частиц, переносящих заряд, - куперовских пар. Эти квазичастицы, состоящие из двух притягивающихся друг к другу электронов, обладают целым спином и ведут себя как бозоны. Они образуют сверхтекучую электронную жидкость, в которой заряд может переноситься без сопротивления, а также выталкивается магнитное поле. В большинстве существующих и наиболее распространенных сверхпроводников орбитальный момент пары электронов L равен 0, и, в соответствии с правилами квантовой механики, спины электронов в паре противонаправлены, а полный спин также равняется нулю: S=0. Такие традиционные сверхпроводники называются s-волновыми и синглетными по спину.
Существуют, однако, и другие типы сверхпроводимости. Например, в высокотемпературных керамических сверхпроводниках орбитальный момент пары L=2. Такие материалы называются d-волновыми сверхпроводниками. Правда, спины электронов в такой системе все так же противонаправлены, и S=0.
В результате подобные типы сверхпроводимости обладают рядом общих свойств, связанных со спиновой характеристикой куперовской пары. Например, в ферромагнитных материалах, в которых магнетизм стремится упорядочить все спины в одном направлении, куперовские пары быстро разрушаются. Таким образом, создать материал, в котором одновременно существовали бы синглетная сверхпроводимость и ферромагнетизм, почти невозможно. Если же привести традиционный сверхпроводник и обычный ферромагнетик в электрический контакт, то куперовские пары проникнут в ферромагнетик на очень короткое расстояние, что существенно ограничивает возможности по созданию эффективных гибридных структур «сверхпроводник - ферромагнетик».
Однако недавно выяснилось, что существует и другой тип сверхпроводимости. Исследования ядерного магнитного резонанса в сверхпроводнике рутенате стронция - Sr2RuO4 - показали, что куперовские пары в нем триплетные, то есть полный спин равен единице S=1, а проекция спина на выделенную ось может принимать три различных значения. В соответствии с принципом Паули (один из фундаментальных принципов квантовой механики, согласно которому два и более тождественных фермиона - частицы с полуцелым спином - не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии, -
