Исследователи обнаружили новый тип сверхпроводника
До сих пор сверхпроводящие материалы были двух типов: с s-волнами и d-волнами. Теперь исследователи из Корнелла во главе с Брэдом Рамшоу, доцентом Dick & Dale Reis Johnson в Колледже искусств и наук, открыли возможный третий тип - g-волну. Их статья была опубликована в журнале Nature Physics.
Электроны в сверхпроводниках движутся вместе в так называемых куперовских парах. Это "спаривание" наделяет сверхпроводники их самым известным свойством - отсутствием электрического сопротивления. Для создания сопротивления куперовские пары должны быть разорваны, а это требует энергии.
В s-волновых сверхпроводниках - обычно в таких материалах, таких как свинец, олово и ртуть - куперовские пары состоят из одного электрона, направленного вверх, а другого - вниз, причем оба движутся друг к другу "лицом" без чистого углового момента. В последние десятилетия новый класс экзотических материалов продемонстрировал так называемую d-волновую сверхпроводимость, при которой куперовские пары имеют два кванта углового момента.
Физики выдвинули теорию о существовании третьего типа сверхпроводника между этими двумя так называемыми "синглетными" состояниями: p-волновой сверхпроводник с одним квантом углового момента и спариванием электронов с параллельными, а не антипараллельными спинами. Этот спин-триплетный сверхпроводник станет крупным прорывом в квантовых вычислениях, поскольку его можно использовать для создания майорановских фермионов - уникальной частицы, которая сама по себе является античастицей.
На протяжении более 20 лет одним из ведущих кандидатов на роль сверхпроводника с p-волнами был рутенат стронция (Sr2RuO4).
Рамшоу и его команда решили раз и навсегда определить, является ли рутенат стронция столь востребованным сверхпроводником с p-волной. Используя резонансную ультразвуковую спектроскопию высокого разрешения, они обнаружили, что этот материал потенциально является совершенно новым типом сверхпроводника: g-волной.
Как и в предыдущих проектах, Рамшоу и Гош использовали резонансную ультразвуковую спектроскопию для изучения свойств симметрии сверхпроводимости в кристалле рутената стронция, который был выращен сотрудниками из Института химической физики твердого тела Макса Планка в Германии.
Однако, в отличие от предыдущих попыток, Рамшоу и Гош столкнулись с серьезной проблемой при проведении эксперимента.
"Охладить резонансный ультразвук до 1 кельвина (минус -272,15 по Цельсию) сложно, и для этого нам пришлось построить совершенно новый аппарат", - объясняет Гош.
С помощью новой установки команда Корнелла измерила реакцию упругих констант кристалла - по сути, скорость звука в материале - на различные звуковые волны, когда материал охлаждается за счет сверхпроводящего перехода до 1,4 кельвина (-271,75 °C).
"Это, безусловно, самые точные данные резонансной ультразвуковой спектроскопии, когда-либо полученные при таких низких температурах", - заявил Рэмшоу.
Основываясь на данных, ученые определили, что рутенат стронция - это то, что как раз называют двухкомпонентным сверхпроводником. Это значит, что способ связывания электронов настолько сложен, что его нельзя описать одним числом; ему тоже нужно направление.
В предыдущих исследованиях использовалась спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР), чтобы сузить возможности того, каким волновым материалом может быть рутенат стронция, эффективно исключив p-волну как вариант. Определив, что материал был двухкомпонентным, команда Рамшоу не только подтвердила эти выводы, но также показала, что рутенат стронция не является обычным s- или d-волновым сверхпроводником.
Теперь исследователи могут использовать эту технику для изучения других материалов, чтобы выяснить, являются ли они потенциальными кандидатами на p-волну.
