Фізика
Фізика

Порушення часової симетрії змусило електрони об'єднатися по четверо

Явище надпровідності — здатність проводити струм без опору - є найвідомішим прикладом спонтанного порушення симетрії, яке змушує електрони об'єднуватися у пари. Але шведським фізикам вдалося впіймати електрони за утворенням четвірок замість пар у надпровіднику на основі арсеніду заліза. На певному рівні легування замість типової для цього надпровідника поведінки вчені побачили зворотний ефект - появу магнітного поля у резистивному стані. Експеримент узгоджується з теоретичними передбаченнями про те, як дальній порядок може існувати не між об'єднаними у пари електронами, а і між парами пар. Дослідження опубліковане у Nature Physics.

Надпровідник з арсеніду заліза / Vadim Grinenko, Federico Caglieris

Надпровідник з арсеніду заліза / Vadim Grinenko, Federico Caglieris

Що сталося?

Група фізиків з Королівського технологічного інституту помітила за надпровідником на основі арсеніду заліза дивну поведінку. За зниження температури, яка мала б його змусити почати проводити струм без опору та виштовхнути магнітне поле, він навпаки дав йому проникнути, що невластиво його типу надпровідності. На це фізикам вказали експерименти зі спіновою мюонною спектроскопією, яка дала змогу виміряти ефект Нернста, що характеризує появу магнітного поля. Пояснити подібну поведінку фізики спробували вже відомим механізмом спонтанного порушення симетрії, що змушує електрони об'єднуватися у пари для уникнення опору. Однак, цього разу, на їхню думку, їм вдалося зафіксувати зв'язок не між електронами, а між їхніми парами, що і спровокувало появу нових властивостей. Теорія для традиційних надпровідників не визнає можливості формування таких зв'язків, однак, на думку дослідників, вона пояснюється ферміонним конденсатом — шостим станом речовини, за якого ферміони здатні обійти заборону Паулі та поводитися подібно бозонам у конденсаті Бозе — Ейнштейна.

Звідки береться струм?

Електричний струм — це рух заряджених частинок. Найчастіше носіями заряду є електрони, і в залежності від того, як якийсь матеріал побудований з атомів, вони взаємодіють з ним. Тому, власне, метали струм проводять, а діелектрики — ні. Це пов'язано з шириною забороненої зони, яка визначає, скільки енергії знадобиться електрону, щоб відірватися від ядра атома і перестрибнути з валентної зони у зону провідності. У металах електрон може вільно переміщатися між ними, отримавши будь-яку допустимо малу енергію, бо цієї енергетичної «прірви» між валентною та провідними зонами у них немає. А у діелектриках вона навпаки настільки велика, що електронам просто невигідно «відв'язуватися» від своїх атомів. Втім, навіть у металах такі стрибки супроводжуються зіткненням з атомною решіткою, що змушує електрони розсіюватися та відчувати опір, який перешкоджає струму.

Спрощена схема, за якою видно, як електрони мають перестрибувати з червоної валентної зони у синю провідну. У металах ці зони перекриваються, тому зробити це просто. Pieter Kuiper / Wikimedia Commons

Спрощена схема, за якою видно, як електрони мають перестрибувати з червоної валентної зони у синю провідну. У металах ці зони перекриваються, тому зробити це просто. Pieter Kuiper / Wikimedia Commons

Як прибрати опір?

І можливість провести струм без опору є надзвичайно заманливою, адже веде до нулевих енерговитрат — один кабель передасть струму стільки ж, скільки зараз передають величезні ланцюги ліній електропередач. Оскільки опір пов'язаний з коливаннями решітки, його можна зменшити, зменшивши ці коливання. І власне у пошуках мінімально можливих коливань 1911 року з'явився перший надпровідник.

Щоправда, без опору він тримався до температури у -240 градусів Цельсію. З того часу фізики шукають різні хімічні з'єднання, які потребують більш прийнятних температур. Але надпровідність за таких умов віднесли до категорії «традиційної» і насправді так умовно змирилися з тим, що вийти за межі лабораторій не вийде. І навіть досягнутій 2020 року надпровідності за кімнатної температури у 15 градусів Цельсію — для цього знадобився надзвичайно високий тиск.

Важливо зазначити, що також існує величезний клас так званих високотемпературних надпровідників, де «нормальною температурою» переходу до надпровідності вважається температура, вища за -196.2 градусів Цельсію або 77 кельвінів. Але вони зазвичай не піддаються поясненню традиційним механізмом надпровідності, про який йтиметься у цій новині.

Повертаючись до того, що опір зумовлюється коливаннями атомів кристалічної решітки, за наднизьких температур ці коливання припиняються. Вільні електрони продовжують свій рух, але по одному тіснитися не дуже вигідно, а тому вони починають об’єднуватися у пари та поводитися ніби одна частинка. Ці пари і називають куперівськими та описують теорією Бардіна-Купера-Шріфера (БКШ). Детальніше про цю теорію Nauka.ua розповідала у матеріалі «Суперфізика та надмеханізми», але головним, що треба зазначити є те, що куперівська пара змушує поводитися електрони не як ферміони, а як бозони.

Що об'єднує електрони у пари?

Задовго до появи теорії БКШ, фізики Гінзбург і Ландау продемонстрували, що надпровідні властивості залежать від симетрії, а саме від спонтанного її порушення. За Ландау, надпровідність пояснюється фазовим переходом другого роду — зміною симетрії речовини у зв’язку з, наприклад, зміщенням атомів. Характеристика фазового переходу для надпровідників називається параметром порядку. Тож власне те, що відрізняє надпровідний стан від нормального, разом зі надплинністю і магнетизмом, — це спонтанно порушена симетрія. Вона визначає дальній порядок у системі, та, у випадку надпровідників, призводить до об'єднання електронів у пари, нульового опору і діамагнетизму, коли магнітне поле повністю витісняється (ефект Мейснера).

Такий об'єднуючий дальній порядок перетворює два електрони (по суті ферміони) на частинку з цілим спіном, яка поводиться як бозон. Тоді вона не підкоряється головній квантовій забороні — принципу Паулі — і пари можуть накопичуватися в одному і тому ж квантовому стані (конденсація Бозе — Ейнштейна). Власне тому об'єднуватися у щось більше електронам невигідно, тож поява принаймні чотириелектронних зв'язаних станів теорією не передбачається. Але не виключається теорією багатозонних надпровідників.

Чому вони вирішили об'єднатися по четверо?

Річ у тім, що з часом з'ясувалося, що куперівські пари можна поділити між собою на «сорти». Так за кутовим моментом електронів в кожній — орбітальним квантовим числом — фізики вже виявили s-хвильові та d-хвильові надпровідники. Так виходить, що в одному матеріалі фактично знаходяться кілька різних надпровідників, які конкурують між собою. У результаті параметр порядку ускладнюється зрушенням фази хвильових функцій пар, що порушує симетрію напрямку плину часу. Подібне явище характерне для надпровідників на основі заліза, рівень легування яких змушує електронні зони опускатися нижче рівня Фермі.

І власне у таких надпровідниках з порушеною симетрією щодо звернення часу, критична температура втрати надпровідності набагато вища, тому вони часто потрапляють у розряд високотемпературних. Вони набагато складніше реагують на зовнішнє магнітне поле, а все тому, що мають різні довжини когерентності електронів між собою та довжину проникнення магнітного поля. Але на думку дослідників, існує механізм, який запобігає конденсації електронів у пари і перешкоджає їхній течії без опору, у той же час дозволяючи конденсацію чотириелектронних композитів. Якщо електрони здатні поводитися у парі як бозони, то вони могли могли б утворити дальній порядок і між парами пар.

Фазова діаграма досліджуваного магнітного поля надпровідника. Де зліва направо надпровідність з порушенням часової симетрії, металева фаза з об'єднанням пар у пари, яка симетрію порушила, невпорядкована фаза з утворенням куперівських пар, а також нормальний металевий стан. Tc - критична температура переходу у стан надпровідності, а TZ2c - критична температура для порушення симетрії, що веде до утворення пар між парами. Vadim Grinenko et al. / Nature Physics, 2021

Фазова діаграма досліджуваного магнітного поля надпровідника. Де зліва направо надпровідність з порушенням часової симетрії, металева фаза з об'єднанням пар у пари, яка симетрію порушила, невпорядкована фаза з утворенням куперівських пар, а також нормальний металевий стан. Tc - критична температура переходу у стан надпровідності, а TZ2c - критична температура для порушення симетрії, що веде до утворення пар між парами. Vadim Grinenko et al. / Nature Physics, 2021

Як це з'ясували?

У своїй роботі група фізиків легувала надпровідник з арсеніду заліза та помітила, що за певного рівня легування замість характерного початку діамагнітного екранування, тобто неприйняття магнітного поля, і нульового опору, очікуваних при зниженні температури, з'явився зворотний ефект: яскраво виражений спонтанний ефект Нернста, який вказав на здатність матеріалу пропускати магнітний потік, як це роблять надпровідники 1-го роду. Причому температура, при якій це сталося, була вище критичної. Але поблизу цієї температури питомий електричний опір прагне нуля, що свідчить про надпровідність з фазово-когерентним станом дальнього порядку. Зразки з іншими рівнями легування не демонструють такої поведінки. Свої висновки фізики підтвердили за допомогою спінової мюонної спектроскопії і ультразвукового зондування.

За їхніми словами, це свідчить про існування бозона металевого стану, в якому спонтанно порушується симетрія щодо звернення часу. Він відокремлений від нормального стану другим фазовим переходом, при якому відновлюється симетрія щодо звернення часу. Це призводить до підвищення критичної температури і перетворює матеріал в аналог металевого надплинного стану, затребуваного у фізиці надвисоких тисків і ядерної матерії. Фізики передбачають, що в присутності магнітного поля такий матеріал буде демонструвати кілька фазових переходів у впорядкованому стані, починаючи від надпровідності і закінчуючи надплинністю.

параметром порядку
насправді ця величина для кожної системи своя. Вона характеризує дальній порядок, який з'являється в результаті спонтанного порушення симетрії при фазовому переході
дальній порядок
регулярне розташування структурних одиниць (наприклад атомів, молекул) у всьому кристалічному тілі незалежно від відстані
ферміони
частинки з напівцілим спіном
орбітальним квантовим числом
крім власного обертання електронів (спін), куперівська пара має ще обертання навколо свого центру мас (орбітальний момент)
реагують
ще одна характеристика надпровідників, за якою їх поділяють на надпровідники 1-го і 2-го родів

Фото в анонсі: Надпровідник з арсеніду заліза / Vadim Grinenko, Federico Caglieris