Фізика
Фізика

Фізики знайшли триплетність в алмазних надпровідниках

Вирощування надпровідного алмазу в Мельбурнському центрі нанофабрикації. Alastair Stacey / Melbourne Centre for Nanofabrication 

Вирощування надпровідного алмазу в Мельбурнському центрі нанофабрикації. Alastair Stacey / Melbourne Centre for Nanofabrication

Фізикам вдалось підтвердити до цього теоретичну можливість існування триплетної надпровідності в алмазах. Мікроскопічний аналіз високої роздільної здатності вирощеного в лабораторії алмазу, дав змогу помітити таку особливість спін-орбітального зв’язку на межах його зерен. Згодом результати дослідження можна буде випробувати на практиці, повідомляють вчені в статті, опублікованій в журналі New Journal of Physics.

Звідки в алмазів триплетна надпровідність?

Надпровідність в алмазах була виявлена більш як 10 років тому. Такі властивості спостерігали в алмазних плівках, легованих бором. Надпровідність - це макроскопічне квантове явище, що полягає в фазовому переході речовин за низьких температур(а іноді й за високих) в новий стан з нульовим електричним опором. Тобто вони здатні проводити струм без опору, не втрачаючи його. Найпростішими з них є деякі чисті метали, що набувають надпровідності за температур, близьких до абсолютного нуля. Їх поведінка описується теорією Бардіна-Купера-Шріффера (БКШ). Вона пов’язує появу таких властивостей утворенням між електронами куперівських пар - квазічастинок зі зв’язаних між собою електронів. І за кутовим моментом(орбітальним квантовим числом) цих електронів, надпровідники можна поділити на види. Нещодавно в рамках цієї теорії вдалось відкрити невідомий раніше тип провідників.

До цього в алмазах спостерігали лише так званий синглетний зв’язок куперівських пар - найбільш поширений в надпровідниках. Електрони з протилежно напрямленими спінами об’єднуються в куперівські пари та в сумі дають орбітальне число з нульовим значенням. Проте, попередні дослідження легованих нанокристалічним бором алмазів наштовхнули вчених на думку, що в кристалах може бути і триплетний характер зв’язку - спарювання електронів зі спінами одного напрямку, що породжує кутовий момент, рівний одиниці.

Як фізики помітили триплетність в алмазних надпровідниках?

Фізики зі Школи фізики Вітватерсрандського університету у співпраці з Оксфордським університетом створили алмаз за допомогою камери плазмового напилення, яка дала змогу виростити алмази достатньої якості для більш детальних досліджень. Дослідники провели аналіз його структури за допомогою скануючої тунельної мікроскопії (scanning tunneling microscope). Їм вдалось точно візуалізувати розташування атомів кристалів алмазу, а також межі розділу зерен структури. Вчені помітили, що спін-орбітальний зв’язок на межах зерен утвореного ними алмазу характеризується слабкою антилокалізацією - явищем, зумовленим ефектом квантово-механічної інтерференції електронів, яке призводить до зниження опору. Вивчаючи перенесення заряду через гранульовані плівки алмазу, вони спостерігали стійкість до прикладеного магнітного поля, що є ще однією відмінною рисою триплетного надпровідного стану.

Навіщо вченим триплетність алмазів?

В звичайних надпровідниках, таких як алюміній або олово, надпровідність руйнується прикладеними магнітними полями чи домішками магнітних матеріалів. Однак, за словами вчених, триплетна надпровідність може існувати навіть в поєднанні з магнітними матеріалами, що веде до більш ефективної і багатофункціональної роботи матеріалу. Пошук нетрадиційних надпровідних систем викликає великий інтерес, адже їх потенційно можна застосувати в топологічних квантових обчисленнях, зокрема для вивчення топологічних ізоляторів. Їх незвичайні властивості сподіваються використовувати для створення електронних схем з мінімальними втратами на тепло, а також для квантових комп'ютерів.

Фізики вважають, що виявлена ними індукція триплетної надпровідності в алмазі важлива не лише для потенційних магнітних додатків, а і для фундаментального розуміння законів фізики. Триплетна надпровідність, яка існувала лише в теорії, може бути перевірена й на інших моделях на практиці.