Прямо между атомами? Физики открыли совершенно новый тип сверхпроводимости

Представьте себе материал, через который электрический ток течет… ну, просто течет. Без потерь, без сопротивления, словно по волшебству. Это не фантастика, это сверхпроводимость! Мы уже используем это удивительное квантовое явление — например, в мощных магнитах аппаратов МРТ, которые позволяют врачам увидеть то, что скрыто внутри нас. Здорово, правда?

Но есть одна загвоздка. Пока что это «волшебство» работает только при очень, очень низких температурах. Мы говорим о значениях, близких к абсолютному нулю — холоднее самого лютого антарктического дня. Конечно, физики всего мира мечтают заполучить сверхпроводник, который работал бы при обычной, комнатной температуре. Ох, какие горизонты это бы открыло! Квантовые компьютеры невиданной мощности, суперэффективные линии электропередач, новые медицинские технологии… Список можно продолжать долго.

Немного о парах и щелях

Так как же работает эта самая сверхпроводимость? Если совсем просто, то в обычном металле электроны, носители тока, постоянно натыкаются на атомы кристаллической решетки, теряя энергию. Это и есть сопротивление. А вот в сверхпроводнике происходит нечто иное. Электроны вдруг начинают… дружить! Они объединяются в пары — так называемые куперовские пары.

Эти парочки ведут себя совсем иначе. Они движутся сквозь материал согласованно, не обращая внимания на препятствия, но только при условии, что их энергия находится в определённых рамках. Есть некая «энергетическая щель» — своего рода безопасная зона. Пока пары внутри этой зоны, они неуязвимы, и ток течет без потерь. Сверхпроводимость!

Долгое время считалось, что эта энергетическая щель — штука довольно постоянная. Ну, то есть, в однородном куске сверхпроводника она везде одинаковая. Логично? Вполне.

А что, если?..

Но мир физики редко бывает простым. Еще десятилетия назад ученые начали подозревать: а вдруг эта самая щель не такая уж и однородная? Что, если ее величина меняется от точки к точке внутри материала? Позже эта идея оформилась в концепцию «парной волны плотности» (сокращенно PDW). Представьте себе, что по сверхпроводнику идут волны, но не обычные, а волны, меняющие «глубину» той самой энергетической щели — где-то она больше, где-то меньше. Правда, думали в основном о волнах с довольно большим «шагом», на значительных расстояниях.

Неожиданный узор на атомном уровне

И вот тут на сцену выходит команда исследователей из Калтеха под руководством Стевана Надь-Перге. Они работали с довольно любопытным материалом — сверхпроводником на основе железа (если кому интересны детали, FeTe₀.₅₅Se₀.₄₅), причём в виде очень тонких «чешуек». И что же они увидели?

Они обнаружили ту самую модуляцию, изменение энергетической щели! Но не какую-то там рябь на большом расстоянии, а волны прямо на уровне атомов! То есть, «рисунок» этой щели менялся с самой минимально возможной длиной волны — буквально от атома к атому. Это явление назвали «модуляцией плотности куперовских пар» (PDM). И модуляция эта оказалась неслабой — до 40%! По словам Линъюаня Куна, одного из авторов исследования, это самое явное доказательство на сегодня, что такие атомные «узоры» в сверхпроводящем состоянии вообще возможны. Честно говоря, довольно неожиданный результат!

Как разглядеть невидимое?

Почему же такое открыли только сейчас? А потому что это было чертовски сложно! Чтобы увидеть такие тонкие эффекты, нужен особый инструмент — сканирующий туннельный микроскоп (СТМ). Он позволяет буквально «ощупывать» поверхность материала на атомном уровне. Но вот беда: поверхность этих железосодержащих сверхпроводников ужасно капризная. Она легко загрязняется, и почти двадцать лет все попытки изучить тонкие слои с помощью СТМ проваливались из-за этой «грязи».

Команде из Калтеха пришлось проявить изобретательность. Они разработали новый хитрый способ подготовки образцов, который позволил получить достаточно чистую поверхность. И только тогда микроскоп смог сделать свою работу и показать этот удивительный атомный узор модуляции. Потребовалось немало усилий!

Загадка симметрии

Конечно, сразу возник вопрос: а почему так происходит? Почему эта энергетическая щель вдруг начинает «плясать» в таком мелком масштабе? Коллеги-теоретики, Михал Папай и Патрик Ли, предложили объяснение. По их модели, всё дело в нарушении определённых видов симметрии в этих тонких слоях материала. Представьте себе идеальный кристалл — он симметричен. А в тонких плёнках, да ещё и при определённых условиях, эта идеальность может нарушаться, причём довольно хитрым образом, что и приводит к появлению такого PDM-состояния. Звучит немного заумно, но, грубо говоря, именно нарушение привычного порядка на микроуровне рождает этот новый тип сверхпроводящего поведения.

Что дальше? Новый кусочек пазла

Так что же нам дает это открытие? Ну, во-первых, это просто красиво и интересно! Мы увидели совершенно новое лицо сверхпроводимости, буквально на атомном уровне. Во-вторых, это важный шаг к пониманию самих механизмов этого явления, особенно в экзотических материалах вроде этих сверхпроводников на основе железа.

Каждый такой шаг, каждое новое открытое состояние приближает нас к разгадке тайны сверхпроводимости. И кто знает, может быть, именно понимание таких вот тонких эффектов, как PDM, однажды поможет нам сконструировать тот самый, заветный материал, который будет проводить ток без потерь прямо у нас на столе, при комнатной температуре. Мечта остается мечтой, но наука явно не стоит на месте. Посмотрим, какие еще сюрпризы готовит нам этот удивительный квантовый мир!