Екзотична надпровідність у новому сплаві

Команда дослідників з Мерілендського університету створила матеріал, у якому може виникати досить незвична надпровідність. Вона базується на утворенні електронних пар зі спіном не 1/2, як у більшості надпровідників, а зі спіном 3/2.

Де з’являється надпровідність?

Надпровідність – це явище, яке дозволяє електронам, що рухаються всередині провідника, створюючи електричний струм, не зіштовхуватися з іонами у кристалічній ґратці. У звичайних провідниках такі зіткнення призводять до постійних втрат енергії.

Надпровідність характеризується нульовим електричним опором, однак отримати такі умови зазвичай можна лише за температури, близької до абсолютного нуля (-273 градуси за Цельсієм).

Куперівська пара електронів
Схематичне зображення куперівської пари електронів у кристалічній ґратці. Джерело: GSU

Пояснюється це тим, що електрони, які мають спін 1/2 вступають у взаємодію, і за участі квазічастинок фононів утворюють куперівські пари. Внаслідок цього, вони перестають взаємодіяти з атомами кристалічної ґратки. Зазвичай таке явище спостерігається у матеріалах, у яких наявний надлишок вільних електронів.

Тож від сплаву YPtBi (ітрій-платина-бісмут), у якого вільних електронів приблизно у тисячу разів менше, ніж потрібно для виникнення надпровідності, ніхто ніяких див не очікував. Але все ж за температури у 0,8 К він проявив надпровідні якості та дуже здивував вчених. Щоб перевірити, чи це дійсно надпровідність, дослідники спробували дослідити взаємодію матеріалу з магнітним полем.

Що особливого у новому матеріалі?

Усі надпровідники мають одну характерну особливість – коли вони досягають надпровідного стану, то починають витісняти з себе зовнішнє магнітне поле. Саме цим ефектом пояснюються видовищні досліди з левітацією магніту над надпровідником.

Проте біля поверхні матеріалу магнітне поле все ж занурюється на певну невелику глибину, і глибина занурення магнітного поля у матеріал має сильну залежність від температури.

Левітація магніту над надпровідником.

Для YPtBi залежність виявилася лінійною. Дослідники пояснюють це тим, що внаслідок спін-орбітальної взаємодії електрони, що знаходяться на p-орбіталях починають взаємодіяти між собою таким чином, ніби їхній спін складає не 1/2, а 3/2, а їхній орбітальний момент складається зі спіном. Такий ефект вже спостерігався у матеріалах, відомих як топологічні надпровідники, однак досі у кандидати розглядалися зовсім інші матеріали.

Інноваційність нового матеріалу полягає у тому, що раніше топологічна надпровідність спостерігалася тільки у матеріалах, що знаходяться у рідкому стані. Тепер же відкрито новий клас сплавів, що також демонструють цей тип надпровідності. Це сплави бісмуту з платиною або паладієм та рідкоземельними металами. Вони й досі недостатньо вивчені, та цілком можливо, що серед них виявляться такі, що забезпечать надпровідність за значно вищих температур.

Річ у тім, що теорія Бардіна-Купера-Шріффера, яка досі панувала у науці про надпровідність, досить погано пояснює надпровідність матеріалів при температурах на 100 градусів вище абсолютного нуля, а з топологічною надпровідністю не справляється зовсім.

Теорію, яка описувала б усі прояви надпровідності, науковцям ще доведеться створити. І в цьому, без сумніву, стануть у пригоді дослідження відкритих сплавів.

Science Advances (2018), doi: 10.1126/sciadv.aao4513

Сподобалась стаття? Придбайте нам , а ми напишемо ще.
Повідомити про помилку: підкресліть текст та натисніть CTRL+Enter або
Олександр Бурлака
  • 59 записів
  • 0 дописів
Олександр займається популяризацією науки, веде блоги та працює викладачем у Харківському національному технічному університеті сільського господарства ім. Петра Василенка. Має ступінь кандидата технічних наук.