Ученые разгадали загадку сверхпроводника, которая годами находилась прямо у них перед глазами

Сверхпроводимость остается одним из самых загадочных явлений современной физики. При определенных условиях некоторые материалы могут проводить электрический ток без сопротивления и потерь энергии в виде тепла. Об этом пишет Sciencealert.

Почему два сверхпроводящих состояния выглядели как одно?

Несмотря на десятилетия исследований, ученые до сих пор не до конца понимают все механизмы, определяющие поведение сверхпроводников. Один из таких вопросов касался группы материалов, известных как дихалькогениды переходных металлов. В сверхтонкие форме некоторые из них демонстрировали, казалось бы, лишь одну сверхпроводящую энергетическую щель.

Энергетическая щель является одним из важных параметров, по которым физики исследуют поведение электронов в сверхпроводящем состоянии и процесс образования электронных пар. Проблема заключалась в том, что математические модели не могли полностью объяснить результаты наблюдений с помощью простой однозонной теории без дополнительных допущений.

Теперь исследователи из Еврейского университета в Иерусалиме нашли возможное объяснение этой загадке. Оказалось, что материал, который казался физикам однозонным сверхпроводником, на самом деле может иметь две сверхпроводящие зоны, которые настолько тесно взаимодействуют между собой, что при измерениях выглядят как одна.

Исследователи сравнили это явление с ситуацией, когда человек слышит голос одного исполнителя, но впоследствии узнает, что на самом деле это идеально синхронизированный дуэт.

"Это немного похоже на то, как вы слушаете что-то, что кажется голосом одного певца, а потом оказывается, что на самом деле это идеально синхронизированный дуэт", – пояснили представители исследовательской группы.

Исследование начали с хорошо известного сверхпроводника

Для проверки своей гипотезы ученые исследовали хорошо известный сверхпроводящий материал – диселенид ниобия с химической формулой NbSe2. Они использовали высокочувствительный метод, известный как туннельная спектроскопия. Эта технология позволяет детально изучать поведение электронов в материале.

Благодаря точным измерениям исследователи смогли составить подробную картину электронных процессов, происходящих в сверхтонкие сверхпроводнике.

После этого полученные экспериментальные данные сравнили с различными математическими моделями.

Именно тогда стало ясно, что модель с двумя сверхпроводящими зонами объясняет результаты значительно лучше, чем модель с одной зоной. Следовательно, материал оказался не таким простым, каким казался ранее.

Что заставляло две энергетические щели выглядеть как одна?

Ключ к разгадке, по мнению исследователей, кроется в необычно сильном рассеянии электронов между двумя зонами.

Для возникновения сверхпроводимости важную роль играют так называемые куперовские пары – связанные между собой электроны, которые ведут себя согласованно. В исследуемом материале носители заряда могли многократно переходить между двумя сверхпроводящими зонами в течение времени существования куперовской пары.

В результате две разные энергетические щели фактически усреднялись.

Именно поэтому во время измерений физики наблюдали не две отдельные характеристики, а одну эффективную энергетическую щель.

Эти большие параметры рассеяния означают, что в течение времени существования куперовской пары носители заряда подвергаются многочисленным событиям рассеяния между двумя зонами, усредняя две сверхпроводящие энергетические щели, разделенные на поверхности Ферми, в одну эффективную щель, которую фиксируют туннельные измерения, – написали исследователи в своей научной работе.

Дополнительные доказательства существования такой сильно связанной двухзонной системы ученые получили в ходе последующих экспериментов с использованием магнитного поля.

Такой же эффект обнаружили в другом материале

После успешного анализа диселенида ниобия исследователи обнаружили дополнительные доказательства подобного поведения еще в одном сверхтонкие материале из того же семейства.

Речь идет о дисульфиде тантала с формулой TaS2. В нем, по результатам наблюдений, также могла происходить аналогичная трансформация двух сверхпроводящих состояний в сигнал, который выглядит как одно целое.

Это стало дополнительным аргументом в пользу предположения, что обнаруженный механизм может быть характерен не только для одного конкретного материала. Если подобный эффект распространяется на другие представители семейства дихалькогенидов переходных металлов, это может изменить представления физиков о сверхпроводимости во всей группе ультратонких материалов.

"Приведенные данные убедительно свидетельствуют о том, что спектры ультратонких NbSe2 и TaS2 можно успешно объяснить двухзонной сверхпроводимостью", – отметили авторы исследования.

Почему это открытие важно для будущих технологий?

На первый взгляд, исследование поведения электронов в ультратонких материалах может казаться очень далеким от повседневной жизни.

Однако сверхпроводники могут сыграть важную роль в развитии технологий будущего. Материалы, способные проводить электрический ток без сопротивления и значительных потерь энергии, потенциально могут быть полезны для энергетических систем, электроники и квантовых технологий.

Такие системы могут работать с высокой эффективностью и минимальными тепловыми потерями. Однако современные сверхпроводники, как правило, требуют очень специфических и тщательно контролируемых условий. Именно технические сложности пока ограничивают их широкое применение.

Для дальнейшего развития технологий ученым необходимо как можно точнее понимать, как именно ведут себя электроны в различных типах сверхпроводящих материалов.

Новое исследование дает именно такое понимание. Информация о движении носителей заряда в материалах различной толщины и с различной электронной структурой потенциально может помочь физикам точнее контролировать их свойства и создавать новые технологические системы на основе сверхпроводимости.

В более толстых материалах может скрываться что-то еще более сложное в физике

Исследователи отмечают, что сверхтонкие образцы – не единственная форма, в которой существует диселенид ниобия. Более толстые версии NbSe2 могут скрывать еще более сложную структуру сверхпроводящих состояний.

Одним из перспективных направлений будущих исследований может стать более детальное изучение более массивных образцов материала. Ученые предполагают, что в таких системах в сверхпроводимости могут участвовать уже три электронные зоны.

Однако окончательного ответа на этот вопрос пока нет. "Наши данные не позволяют различить два возможных объяснения, и для решения этого открытого вопроса необходимы дальнейшие исследования", – написали авторы научной работы.

Таким образом, исследователям удалось разгадать одну давнюю загадку, но в то же время их открытие породило новые вопросы. История ультратонких сверхпроводников стала еще одним примером того, что даже хорошо исследованный материал может скрывать сложные механизмы, которые остаются незаметными из-за особенностей измерений.

То, что годами выглядело как одно сверхпроводящее состояние, оказалось результатом взаимодействия двух систем, которые ведут себя настолько синхронно, что современные эксперименты воспринимали их как одно целое.

Это открытие не только помогло разгадать конкретную физическую загадку, но и может стать важным шагом к более точному пониманию того, как работают сверхпроводники – технологии, от которой в будущем могут зависеть новые поколения энергетических, электронных и квантовых систем.