Секрет сверхпроводимости раскрыт? Нематические флуктуации как ключ к революции в энергетике и технологиях

Сверхпроводимость, явление, при котором электрический ток протекает без сопротивления, остается одной из самых захватывающих и перспективных областей современной физики. Потенциальные применения сверхпроводящих материалов в энергетике, электронике и других областях огромны, однако широкое внедрение этой технологии сдерживается сложностью достижения и поддержания сверхпроводящего состояния, часто требующего экстремально низких температур. Поэтому поиск новых механизмов сверхпроводимости и материалов, способных проявлять это свойство при более доступных условиях, является приоритетной задачей научного сообщества. Недавние исследования, проведенные в Йельском университете, предлагают новый взгляд на эту проблему, фокусируясь на явлении электронной нематичности.

Электронная нематичность — это фазовое состояние вещества, в котором электроны, обычно распределенные изотропно, то есть одинаково во всех направлениях, начинают проявлять анизотропию, «предпочитая» определенное направление движения. Это можно представить себе как изменение симметрии электронной структуры материала. В обычном состоянии, при комнатной температуре, электроны в кристаллической решетке, например, селенида железа, ведут себя подобно хаотично движущимся частицам, не проявляя коллективного предпочтения к какому-либо конкретному направлению.

Однако при понижении температуры в некоторых материалах происходит фазовый переход, и электроны начинают спонтанно «выстраиваться» вдоль определенной оси, нарушая исходную симметрию. Это явление аналогично тому, как жидкие кристаллы, используемые в дисплеях, ориентируются под воздействием электрического поля, меняя свои оптические свойства.

В исследованных материалах на основе селенида железа с примесью серы электронная нематичность проявляется при низких температурах. Ученые предполагали, что нематические флуктуации, то есть колебания электронов между различными предпочтительными направлениями, могут играть ключевую роль в возникновении сверхпроводимости. Однако доказать эту гипотезу экспериментально было непросто. Для этого требовалось не только охладить материал до экстремально низких температур, но и провести прецизионные измерения электронной структуры с атомарным разрешением.

Именно эту задачу удалось решить команде исследователей из Йельского университета под руководством Эдуардо да Силва Нето. Используя сканирующий туннельный микроскоп (СТМ), способный «видеть» отдельные атомы и электронные состояния, ученые исследовали электронную структуру селенида железа с примесью серы при температурах ниже 500 милликельвинов. СТМ позволяет не только получать изображения поверхности материала с атомарным разрешением, но и измерять энергетический спектр электронов, что является ключевым для изучения сверхпроводимости. В сверхпроводящем состоянии в энергетическом спектре электронов появляется характерный «провал», называемый сверхпроводящей щелью. Наличие и характеристики этой щели — однозначное свидетельство сверхпроводимости и индикатор ее силы.

В результате экспериментов была обнаружена сверхпроводящая щель, параметры которой точно соответствовали теоретическим предсказаниям для сверхпроводимости, индуцированной нематическими флуктуациями. Это открытие подтверждает давнюю гипотезу о связи электронной нематичности и сверхпроводимости и предлагает новый подход к поиску и разработке сверхпроводящих материалов. Вместо фокусирования на магнитных свойствах, как это было принято ранее, теперь можно сосредоточиться на управлении нематическими флуктуациями, что потенциально может привести к созданию сверхпроводников, работающих при более высоких температурах.

Дальнейшие исследования направлены на изучение влияния концентрации серы и других параметров на сверхпроводящие свойства селенида железа, что позволит более глубоко понять механизмы сверхпроводимости и разработать новые подходы к ее достижению.