Фізики створили надпровідник, який порушує симетрію часу

Міжнародна команда фізиків під керівництвом дослідників з Індійського інституту наукової освіти та досліджень у Бхопалі виявила незвичайні квантові властивості матеріалу, який може розширити уявлення про надпровідність. Про це пише Sciencealert.

Що незвичайного знайшли у новому надпровіднику?

Йдеться про ітербій діантимонід YbSb2. У лабораторії вчені синтезували його монокристали, після чого за допомогою рентгенівського випромінювання перевірили хімічну чистоту матеріалу та його складну кристалічну структуру.

Особливість YbSb2 проявляється за наднизьких температур. Приблизно за температури -272 градуси Цельсія електричний опір матеріалу падає до нуля, і він переходить у надпровідний стан. Це лише трохи вище абсолютного нуля, який становить -273,15 градуса Цельсія.

Дослідники також провели вимірювання питомої теплоємності, щоб вивчити поведінку електронів під час нагрівання. Результати підтвердили, що YbSb2 належить до надпровідників I типу. Це важливо, оскільки досі незвичайні властивості, пов'язані з порушенням симетрії часу, переважно асоціювали з більш екзотичними надпровідниками II типу.

Як матеріал "порушує" симетрію часу?

Йдеться про так звану симетрію щодо обернення часу. У фізиці вона означає, що багато фундаментальних законів не змінюються, якщо математично замінити напрямок перебігу часу з прямого на зворотний.

Але деякі фізичні явища можуть порушувати цю симетрію. Саме таку ознаку дослідники виявили в YbSb2. Для цього вони використали мюонну спінову спектроскопію – метод, який дає змогу досліджувати внутрішні магнітні поля матеріалів за допомогою мюонів.

Мюони є фундаментальними субатомними частинками, які можна використовувати як своєрідні датчики магнітного середовища всередині матеріалу.

Коли дослідники проводили вимірювання без зовнішнього магнітного поля, вони виявили, що після переходу YbSb2 у надпровідний стан усередині матеріалу спонтанно виникають слабкі магнітні поля. Саме це стало одним із ключових доказів порушення симетрії щодо обернення часу.

Причина полягає в тому, що магнітне поле змінює свій напрямок, якщо математично повернути час назад. Якщо всередині надпровідника виникає магнітне поле без зовнішнього впливу, це може свідчити про те, що система вже не зберігає початкову симетрію.

Електрони в матеріалі утворюють незвичайні пари

Ще одна важлива особливість YbSb2 стосується поведінки електронів. У надпровідниках електрони можуть об'єднуватися у так звані куперівські пари. Саме такий колективний стан дозволяє їм рухатися крізь матеріал без електричного опору.

У YbSb2 ці пари мають незвичайну структуру. Дослідники виявили так званий спіновий триплет – різновид куперівських пар, у якому спіни електронів можуть перебувати в одному з кількох можливих взаємних станів.

Точніше, автори роботи описують цей стан як внутрішньо антисиметричний неунітарний триплетний стан. Його важлива особливість полягає в тому, що магнітні моменти електронів не компенсують один одного повністю. У результаті система отримує власний сумарний магнітний момент.

Це дозволяє YbSb2 порушувати симетрію щодо обернення часу без необхідності прикладати зовнішнє магнітне поле. Щоб зрозуміти, як формуються такі триплетні пари, фізики змоделювали властивості матеріалу. Розрахунки показали, що електрони в кожній парі походять із різних енергетичних орбіталей.

Чому це може бути важливо для квантових технологій?

Властивості YbSb2 можуть бути цікаві не лише з фундаментальної точки зору.

Моделі дослідників вказують, що матеріал потенційно здатен підтримувати безщілинні поверхневі моди Майорани.

Мова йде про особливі квантові збудження, які поводяться як власні античастинки. Вони можуть виникати на поверхні матеріалу, тоді як його об'єм залишається надпровідним і проводить електрони без опору. Саме такі властивості привертають увагу дослідників квантових технологій.

Матеріали з топологічними квантовими властивостями потенційно можуть допомогти захищати квантову інформацію від зовнішніх перешкод. Для квантових систем особливо небезпечними є тепло та електромагнітний шум, оскільки вони можуть руйнувати крихкі квантові стани.

Якщо такі матеріали справді дозволять краще захищати квантову інформацію, вони можуть стати одним із напрямів розвитку майбутніх квантових обчислювальних систем.

Водночас дослідження YbSb2 поки що демонструє насамперед фундаментальну фізичну властивість матеріалу, а не готову технологію для квантових комп'ютерів. Потрібні подальші експерименти, щоб перевірити, наскільки стабільними є виявлені стани та чи можна практично використовувати їхні властивості.