Куперовские пары — основа теории сверхпроводимости. Раньше считалось, что они взаимодействуют только в исключительных случаях и существуют в материале независимо друг от друга. Теперь ученые поняли, что это не так.
Сверхпроводимость обычно возникает в материалах, охлажденных до экстремально низких температур или находящихся под высоким давлением. Согласно базовой теории сверхпроводимости, теории БКШ, ниже критической температуры электроны в материале объединяются в куперовские пары, что помогает току в материале течь без сопротивления.
Теория БКШ не объясняет поведение всех типов сверхпроводников и экзотические случаи, в которых сверхпроводимость все равно возможна. В новом исследовании, опубликованном в журнале Physical Review Letters, физики смогли найти и объяснить взаимодействие между куперовскими парами, которое раньше ускользало от исследователей. Оказалась, эти структуры коррелированы, то есть поведение каждой пары зависит от окружающих.
Теория БКШ постулирует, что куперовские пары распределены по сверхпроводнику независимо и вероятность найти пару электронов вблизи выбранной точки не связана с расположением других пар.
Ученые работали с газом Ферми. Они заставили специально подготовленные и сильно охлажденные атомы лития вести себя как частицы-фермионы. Электроны относятся к этому же типу частиц и подчиняются тем же законам взаимодействия и организации пар. Поэтому физики часто используют ферми-газ как модель, хорошо описывающую происходящее в сверхпроводнике.
Физики заперли атомы в гексагональной оптической решетке и постоянно снимали их положение в пространстве с помощью микроскопии квантового газа с атомным разрешением, в условиях, где атомы могут перемещаться. Оказалось, после того, как атомы объединились в пары, они стали двигаться синхронно. Более того, их положение зависело от положения других пар.
Спаренные атомы сохраняли дистанцию от других спаренных атомов. Ученые сравнили это с тем, как танцующие пары держатся на расстоянии от других в бальном зале. Такой эффект не был предсказан теорией БКШ.
Для подтверждения результатов провели численное моделирование, которое точно воспроизвело ту же систему. Результаты совпали с экспериментальными данными. Ученые смогли рассчитать дистанцию между электронными парами.
Этот результат меняет наше фундаментальное понимание сверхпроводников и других квантовых материалов, состоящих из фермионов. Новые данные могут приблизить ученых к созданию высокотемпературных сверхпроводников.