Фізика

Фізики відкрили новий тип надпровідників

Високотемпературний надпровідник левітує над магнітом. Julian Litzel / Wikimedia Commons 

Високотемпературний надпровідник левітує над магнітом. Julian Litzel / Wikimedia Commons

У пошуках третього, проміжного між s-хвильовими та d -хвильовими типами надпровідників, фізики виявили зовсім інший - g-хвильовий. Резонансна ультразвукова спектроскопія показала, що використаний вченими кристал рутенату стронцію відноситься до нового, невідомого раніше типу низькотемпературних надпровідників. Результати експерименти опубліковані в журналі Nature Physics.

Що першопочатково шукали вчені?

Про надпровідність стало відомо більш як сто років тому, але її неможливо пояснити за допомогою класичної фізики. Це квантове явище, яке дозволяє деяким матеріалами проводити електричний струм абсолютно без опору, тобто не втрачаючи його. Сьогодні вчені знають кілька сотень чистих матеріалів, сплавів, керамік і з'єднань, які здатні переходити в надпровідний стан при різних температурах. Такі властивості надпровідників пояснює теорія Бардіна — Купера — Шріффера, більш відома як теорія БКШ.

Вона говорить, що для появи надпровідності між електронами має бути притягання і його причиною є утворення між ними куперівських пар - квазічастинок зі зв’язаних між собою електронів. Куперівські пари можна поділити на види за кутовим моментом електронів в ній - орбітальним квантовим числом. Так фізики вже виявили s-хвильові та d-хвильові надпровідники, кутові моменти яких дорівнюють 0 та 2 відповідно. Це розрізняє їх за властивостями - d-хвильові, наприклад, не втрачають свою надпровідність навіть за температури вище точки кипіння рідкого азоту. Тому також було теоретично описане існування й інших конфігурацій куперівських пар, зокрема, p-хвильових, які і хотіли виявити вчені. Їх кутовий момент дорівнював би 1 і вони були б проміжною ланкою між вже існуючими з s- та d-хвилями.

Що вони виявили у підсумку?

Експериментуючи із кристалом рутенату стронцію фізики виявили, що він є двокомпонентим надпровідником, а отже спосіб, у який електрони в ньому поєднуються в пари є набагато складнішим за s- d- та p-хвильові надпровідники. Його кутовий момент дорівнює 4 і вченим нічого не залишалось, крім як віднести його до нового типу надпровідників, адже g-хвилі - єдине, що може пояснити результати проведеного експерименту.

Як фізики знайшли новий надпровідник?

Дослідники з Корнелльського університету на чолі із Бредом Ремшоу (Brad Ramshaw) вирішили перевірити потенційного кандидата у p-хвильові надпровідники - рутенат стронцію(Sr2RuO4). Рутенат стронцію структурно дуже схожий на високотемпературні надпровідники, так звані купрати. Але потрібна для його переходу в надпровідний стан температура становить менш як 1 кельвіна(-272,15 градуса Цельсія).

Щоб перевірити свою теорію щодо p-хвильових властивостей цього матеріалу, вчені використали вирощений в інституті фізики імені Макса Планка кристал рутенату стронцію. Його потрібно було охолодити до критичної температури, за якої він би почав виявляти надпровідність. Для цього їм навіть довелось побудувати нову установку, яка могла б наблизити температуру до абсолютного нуля. Потім вони зафіксували зміни внутрішньої структури за допомогою резонансної ультразвукової спектроскопії, яка і показала, що спосіб утворення куперівських пар в кристалі є набагато складнішим, ніж очікувалось.