Вчені розгадали загадку надпровідника, яка роками була просто перед очима

Надпровідність залишається одним із найбільш загадкових явищ сучасної фізики. За певних умов деякі матеріали можуть проводити електричний струм без опору та втрат енергії у вигляді тепла. Про це пише Sciencealert.

Чому два надпровідні стани виглядали як один?

Попри десятиліття досліджень, вчені досі не до кінця розуміють усі механізми, які визначають поведінку надпровідників. Одне з таких питань стосувалося групи матеріалів, відомих як дихалькогеніди перехідних металів. У надтонкій формі деякі з них демонстрували, здавалося б, лише одну надпровідну енергетичну щілину.

Енергетична щілина є одним із важливих параметрів, за якими фізики досліджують поведінку електронів у надпровідному стані та процес утворення пар електронів. Проблема полягала в тому, що математичні моделі не могли повністю пояснити результати спостережень за допомогою простої однозонної теорії без додаткових припущень.

Тепер дослідники з Єврейського університету в Єрусалимі знайшли можливе пояснення цієї загадки. Виявилося, що матеріал, який здавався фізикам однозонним надпровідником, насправді може мати дві надпровідні зони, які настільки тісно взаємодіють між собою, що під час вимірювань виглядають як одна.

Дослідники порівняли це явище з ситуацією, коли людина чує голос одного виконавця, але згодом дізнається, що насправді це ідеально синхронізований дует.

"Це трохи схоже на те, як ви слухаєте те, що здається голосом одного співака, а потім виявляється, що насправді це ідеально синхронізований дует", – пояснили представники дослідницької групи.

Дослід почали з добре відомого надпровідника

Для перевірки своєї гіпотези науковці дослідили добре відомий надпровідний матеріал – диселенід ніобію з хімічною формулою NbSe2. Вони використали високочутливий метод, відомий як тунельна спектроскопія. Ця технологія дозволяє детально досліджувати поведінку електронів у матеріалі.

Завдяки точним вимірюванням дослідники змогли створити детальну картину електронних процесів, що відбуваються в надтонкому надпровіднику.

Після цього отримані експериментальні дані порівняли з різними математичними моделями.

Саме тоді стало зрозуміло, що модель із двома надпровідними зонами пояснює результати значно краще, ніж модель із однією зоною. Отже, матеріал не був настільки простим, яким здавався раніше.

Що змушувало дві енергетичні щілини виглядати як одну?

Ключ до розгадки, на думку дослідників, криється в незвично сильному розсіюванні електронів між двома зонами.

Для виникнення надпровідності важливу роль відіграють так звані куперівські пари – пов'язані між собою електрони, які поводяться узгоджено. У досліджуваному матеріалі носії заряду могли багаторазово переходити між двома надпровідними зонами протягом часу існування куперівської пари.

У результаті дві різні енергетичні щілини фактично усереднювалися.

Саме тому під час вимірювань фізики бачили не дві окремі характеристики, а одну ефективну енергетичну щілину.

Ці великі параметри розсіювання означають, що протягом часу існування куперівської пари носії заряду зазнають численних подій розсіювання між двома зонами, усереднюючи дві надпровідні енергетичні щілини, розділені на поверхні Фермі, в одну ефективну щілину, яку фіксують тунельні вимірювання, – написали дослідники у своїй науковій роботі.

Додаткові докази існування такої сильно пов'язаної двозонної системи вчені отримали під час наступних експериментів із використанням магнітного поля.

Такий самий ефект знайшли в іншому матеріалі

Після успішного аналізу диселеніду ніобію дослідники виявили додаткові докази подібної поведінки ще в одному надтонкому матеріалі з тієї самої родини.

Йдеться про дисульфід танталу з формулою TaS2. У ньому, за результатами спостережень, також могла відбуватися аналогічна трансформація двох надпровідних станів у сигнал, який виглядає як один.

Це стало додатковим аргументом на користь припущення, що виявлений механізм може бути характерним не лише для одного конкретного матеріалу. Якщо подібний ефект поширюється на інші представники сімейства дихалькогенідів перехідних металів, це може змінити уявлення фізиків про надпровідність у цілій групі ультратонких матеріалів.

"Наведені дані переконливо свідчать про те, що спектри ультратонких NbSe2 і TaS2 можна успішно пояснити двозонною надпровідністю", – зазначили автори дослідження.

Чому це відкриття важливе для майбутніх технологій?

На перший погляд, дослідження поведінки електронів у надтонких матеріалах може здаватися дуже далеким від повсякденного життя.

Однак надпровідники можуть відіграти важливу роль у розвитку технологій майбутнього. Матеріали, здатні проводити електричний струм без опору та значних втрат енергії, потенційно можуть бути корисними для енергетичних систем, електроніки та квантових технологій.

Такі системи можуть працювати з високою ефективністю та мінімальними втратами тепла. Проте сучасні надпровідники зазвичай потребують дуже специфічних і ретельно контрольованих умов. Саме технічні складнощі поки що обмежують їх широке використання.

Для подальшого розвитку технологій вченим необхідно якомога точніше розуміти, як саме поводяться електрони в різних типах надпровідних матеріалів.

Нове дослідження дає саме таке розуміння. Інформація про рух носіїв заряду в матеріалах різної товщини та з різною електронною структурою потенційно може допомогти фізикам точніше контролювати їхні властивості та створювати нові технологічні системи на основі надпровідності.

У товстіших матеріалах може ховатися ще складніша фізика

Дослідники зазначають, що надтонкі зразки – не єдина форма, у якій існує диселенід ніобію. Більш товсті версії NbSe2 можуть приховувати ще складнішу структуру надпровідних станів.

Одним із перспективних напрямів майбутніх досліджень може стати детальніше вивчення масивніших зразків матеріалу. Вчені припускають, що в таких системах у надпровідності можуть брати участь уже три електронні зони.

Однак остаточної відповіді на це питання поки що немає. "Наші дані не дозволяють розрізнити два можливі пояснення, і для вирішення цього відкритого питання необхідні подальші дослідження", – написали автори наукової роботи.

Таким чином, дослідникам вдалося розв'язати одну давню загадку, але водночас їхнє відкриття створило нові питання. Історія ультратонких надпровідників стала ще одним прикладом того, що навіть добре досліджений матеріал може приховувати складні механізми, які залишаються непомітними через особливості вимірювань.

Те, що роками виглядало як один надпровідний стан, виявилося результатом взаємодії двох систем, які поводяться настільки синхронно, що сучасні експерименти сприймали їх як одну.

Це відкриття не лише допомогло пояснити конкретну фізичну загадку, а й може стати важливим кроком до точнішого розуміння того, як працюють надпровідники – технологія, від якої в майбутньому можуть залежати нові покоління енергетичних, електронних і квантових систем.