Доказано состояние сверхпроводимости при наличии сильного магнитного поля

Сверхпроводники и магнитные поля обычно не уживаются вместе.

Однако группе ученых во главе с физиком из университета Брауна удалось найти очевидность экзотического состояния сверхпроводимости, предсказанного впервые 50 лет назад, которое может возникнуть, когда сверхпроводник подвержен воздействию сильного магнитного поля.

«Потребовалось пятьдесят лет, чтобы доказать, что это действительно возможно», сообщила доцент Весна Митрович. „Мы идентифицировали микроскопическую природу данного экзотического квантового состояния вещества“.

Исследование опубликовано в издании Nature Physics.

Сверхпроводимость — способность проводить электрический ток без сопротивления — основана на формировании электронных пар, известных как куперовские пары. В обычном проводнике электроны грохочут в структуре материала, что формирует сопротивление. Но куперовские пары движутся так, что не встречают сопротивления на пути.

Магнитные поля — враг куперовских пар. Чтобы сформировать пару, электроны должны обладать противоположными спинами. В обычном состоянии сверхпроводящий материал имеет равное число электронов с каждым спином, так что каждый электрон имеет противоположную пару. Однако сильные магнитные поля способны превратить одни электроны в другие, что приводит к неравенству спинов в материале.

«Вопрос в том, что произойдет, когда электронов с одним спином больше, чем других», заявила Митрович. „Что случается с электронами без пары? Можем ли мы сформировать сверхпроводящие состояния таким путем, и на что они будут похожи?“.

Чтобы исследовать феномен, Митрович с коллегами использовали органический сверхпроводник κ- (BEDT-TTF)2Cu (NCS)2. Материал состоит из ультратонких листов, сложенных стопкой друг на друга. Именно этот материал, как было предсказано, способен продемонстрировать состояние FFLO (от первых букв фамилий теоретиков, предсказавших его).

После применения интенсивного магнитного поля к материалу Митрович с коллегой исследовали его свойства с помощью ядерного магнитного резонанса.

Ученые выявили области в материале, в которых собрались непарные электроны. «Эти поляризованные электроны вели себя как маленькие частицы, помещенные в коробку», заявила Митрович, „и сформировали связанные состояния Андреева“.

Эти состояния замечательны тем, что позволяют проходить супертокам через несверхпроводящие области. В данном состоянии сверхпроводимости ток способен двигаться по всему материалу совершенно без сопротивления.

Понимание того, что происходит, когда электроны теряют пару в материале, может оказаться полезным не только в области сверхпроводимости.

Например, это может помочь астрофизикам лучше понять пульсары — плотные нейтронные звезды, которые, как считается, скрывают в себе и сверхпроводимость, и сильные магнитные поля. Также полезным результат может стать в спинтронике — области, где устройства работают на основе спина электрона, а не заряда, и сделаны из слоистых ферромагнитных сверхпроводящих структур.