Группа ученых под руководством Йельского университета нашла самые убедительные на сегодняшний день доказательства существования нового типа сверхпроводящего материала, что является фундаментальным научным прорывом, который может открыть путь к достижению сверхпроводимости — протекания электрического тока без потери энергии — новым способом.

Это открытие также оказывает ощутимую поддержку давно существующей теории сверхпроводимости, согласно которой она может быть основана на электронном нематизме — фазе материи, в которой частицы нарушают свою вращательную симметрию.

Вот что это значит. В кристаллах селенида железа, смешанных с серой, атомы железа расположены в сетке. При комнатной температуре электрон в атоме железа не может различать горизонтальные и вертикальные направления. Но при более низких температурах электрон может перейти в «нематиковую» фазу, где он начинает предпочитать двигаться в одном или другом направлении.

В некоторых случаях электрон может начать колебаться, предпочитая одно направление, а затем другое. Это называется нематической флуктуацией.

В течение десятилетий физики пытались доказать существование сверхпроводимости из-за нематических флуктуаций, но без особого успеха. Но новое исследование, многоинституциональная работа под руководством Эдуардо Х. да Силва Нето из Йельского университета, обещает.

Результаты опубликованы в журнале Nature Physics.

«Мы начали с догадки, что в некоторых материалах на основе селенида железа, смешанных с серой, происходит что-то интересное, связанное с взаимосвязью между сверхпроводимостью и нематическими флуктуациями», — сказал да Силва Нето, доцент кафедры физики на факультете искусств и наук Йельского университета и сотрудник Института энергетических наук в Западном кампусе Йельского университета.

«Эти материалы идеальны, поскольку они демонстрируют нематический порядок и сверхпроводимость без некоторых недостатков, таких как магнетизм, которые могут затруднить их изучение», — сказал да Силва Нето. «Вы можете отделить магнетизм от уравнения».

Но это нелегко. Для исследования ученые охлаждали материалы на основе железа до температуры менее 500 милликельвинов в течение нескольких дней. Для отслеживания материала они использовали сканирующий туннельный микроскоп (СТМ), который делает снимки квантовых состояний электронов на атомном уровне.

Сосредоточившись на исследованиях селенидов железа с максимальными нематическими флуктуациями, исследователи искали «сверхпроводящую щель» — хорошо известный признак существования и силы сверхпроводимости. Изображения СТМ позволили исследователям найти щель, которая точно соответствовала сверхпроводимости, вызванной электронным нематизмом.

«Это было трудно доказать, потому что нужно проводить сложные измерения СТМ при очень низких температурах, чтобы точно измерить щель», — сказал да Силва Нето. «Следующий шаг — еще более внимательно посмотреть. Если мы продолжим увеличивать содержание серы, что произойдет со сверхпроводимостью? Она умрет? Вернутся ли спиновые флуктуации? Возникает несколько вопросов, которые мы рассмотрим дальше».

Соавторами исследования являются аспиранты Йельского университета Пранаб Кумар Наг и Кирсти Скотт. Дополнительные соавторы из Йельского университета включают Синзе Янг и Аарона Гринберга, а также исследователей из Калифорнийского университета в Дэвисе; Университета Миннесоты; Федерального университета Гояса в Бразилии; Университета Кампинаса в Бразилии; и Университета Фэрфилда.