Физики из МИТ экспериментально доказали, что самый тонкий сверхпроводник обладает уникальными свойствами. Ему уже прочат применение в области медицинской диагностики, квантовых вычислений и транспортировки энергии. Об этом пишет журнал Nature Communications.
Предмет исследований относится к классу сверхпроводников, которые становятся сверхпроводящими при температурах, на порядок превышающих их обычные аналоги, что упрощает их практическое применение. Обычные сверхпроводники работают только при температурах около –263,15 градусов Цельсия.
Однако эти так называемые высокотемпературные сверхпроводники до сих пор полностью не изучены. «Их микроскопические возбуждения и динамика необходимы для понимания сверхпроводимости, но после 30 лет исследований многие вопросы все еще остаются открытыми», — говорит Риккардо Комин, доцент кафедры физики в Массачусетском технологическом институте.
В 2015 году ученые открыли новый вид высокотемпературного сверхпроводника: лист селенида железа толщиной всего в один атомный слой, способный к сверхпроводимости при температуре –208,15 градуса Цельсия. Напротив, массивные образцы из того же материала сверхпроводят при гораздо более низкой температуре (–265,15 градуса Цельсия). Открытие вызвало целый шквал расследований.
В обычном металле электроны ведут себя так же, как отдельные люди, танцующие в комнате. В сверхпроводящем металле электроны движутся парами, как пары в танце. И все эти пары движутся в унисон, как если бы они были частью квантовой хореографии, что в конечном итоге привело к созданию своего рода электронной сверхтекучей жидкости.
Ученым давно известно, что в обычных сверхпроводниках «клей», удерживающий электроны вместе, образуется в результате движения атомов внутри материала. «Если вы посмотрите на твердое тело, сидящее на столе, кажется, что он ничего не делает», — говорит Комин. Однако многое происходит в наномасштабе. Внутри этого материала электроны летают во всех возможных направлениях, а атомы дребезжат; они вибрируют. В обычных сверхпроводниках электроны используют энергию, запасенную при движении атома, для образования пар.
«Клей», стоящий за соединением электронов в высокотемпературных сверхпроводниках, иной. Ученые предположили, что он связан с определенным свойством электронов — спином. «Вращение можно рассматривать как элементарный магнит», — рассказывает ассистент физика из Брукхейвенской национальной лаборатории Джонатан Пеллициари. Идея состоит в том, что в высокотемпературном сверхпроводнике электроны могут забирать часть энергии от этих спинов. И эта энергия — и есть тот «клей», который они используют для создания пары.
До сих пор большинство физиков думали, что невозможно обнаружить или измерить спиновые возбуждения в материале толщиной всего лишь в атомный слой. Но физики не только обнаружили спиновые возбуждения, но, среди прочего, они также показали, что спиновая динамика в ультратонком образце резко отличается от динамики спина в массивном образце. В частности энергия флуктуирующих спинов в ультратонком образце была намного выше — в четыре или пять раз, чем энергия спинов в массивном образце. Для исследования использовался прибор для резонансного неупругого рассеяния рентгеновских лучей (RIXS).
«Это первое экспериментальное доказательство наличия спиновых возбуждений в атомарно тонком материале», — говорит Пеллициари.