Сверхпроводимость — это свойство, наблюдаемое в некоторых материалах, которое заключается в способности проводить электричество без сопротивления ниже определённых критических температур. В некоторых необычных сверхпроводниках наблюдается так называемое спиновое спаривание триплетного типа.
В обычных сверхпроводниках электроны образуют так называемые куперовские пары — пары электронов с противоположным импульсом и спином. Это явление называют спин-синглетным спариванием. В некоторых необычных сверхпроводниках исследователи наблюдали другое состояние, известное как спиновое спаривание триплетного типа, которое предполагает формирование пар электронов с параллельными спинами.
Исследователи из Университета Фудань, Центра изучения возникающих материальных явлений (CEMS) при RIKEN и других институтов недавно наблюдали значительно усиленный невзаимный транспорт в классе сверхпроводников, известных как интерфейсные сверхпроводники на основе KTaO₃. Они предположили, что это может быть объяснено сосуществованием спин-синглетных и спин-триплетных состояний.
Их статья, опубликованная в Physical Review Letters, предлагает новое понимание необычной сверхпроводимости этих материалов и может потенциально повлиять на будущее использование этих материалов для развития спинтроники и квантовых технологий.
KTaO₃-based interface superconductors были впервые обнаружены в 2021 году и быстро привлекли внимание, поскольку они демонстрируют гораздо более высокую температуру перехода в сверхпроводящее состояние, чем ранее известные интерфейсные сверхпроводники на основе SrTiO₃.
Несмотря на этот интерес, исследования до сих пор были сосредоточены на измерениях линейного транспорта. Исследователи осознали, что нелинейный или невзаимный транспорт этих сверхпроводников ещё не изучен. Это стало ключевой мотивацией для них, поскольку невзаимный транспорт предлагает уникальную возможность исследовать сверхпроводники, особенно те, в которых на границах раздела нарушена симметрия инверсии.
В материаловедении невзаимный транспорт означает электрическое сопротивление, которое отличается в зависимости от направления протекания электрического тока. Это явление ранее считалось мощным инструментом для исследования смешивания чётности (то есть сосуществования спин-синглетных и спин-триплетных состояний).
Экспериментально исследователи изучили невзаимный транспорт, измерив генерацию второй гармоники при низкочастотном переменном токе. Этот метод, часто называемый измерением электрических гармоник, позволяет обнаруживать тонкие нелинейности в электрическом ответе материала, которые указывают на невзаимный транспорт.
Измерения, проведённые исследователями, действительно выявили невзаимный транспорт в интерфейсных сверхпроводниках на основе KTaO₃, что позволяет предположить, что их сверхпроводимость обусловлена смешиванием чётности. В рамках своего исследования Хэ, Чжай и их коллеги также разработали теоретическую модель, объясняющую их наблюдения.
Теоретическая модель, разработанная исследователями, оказалась тесно связана с их экспериментальными наблюдениями. Это говорит о том, что сверхпроводимость, о которой сообщалось в интерфейсных сверхпроводниках на основе KTaO₃, действительно может возникать из-за сосуществования спин-синглетных и спин-триплетных пар.
«Мы считаем, что наиболее значительным достижением нашего исследования является предоставление убедительных доказательств существования привлекательного взаимодействия спинового триплетного спаривания в интерфейсных сверхпроводниках на основе KTaO₃, которое мы выявили с помощью наших измерений невзаимного транспорта и теоретических подходов», — сказал Наото Нагаоса, соавтор исследования.
Это недавнее исследование позволило получить новое ценное представление об интерфейсных сверхпроводниках на основе KTaO₃ и процессах, способствующих их сверхпроводимости, которые могут быть дополнительно изучены и подтверждены в будущих исследованиях. Команда Университета Фудань планирует расширить своё исследование и охватить другие интерфейсные сверхпроводники, которые, как было обнаружено, демонстрируют сверхпроводимость при ещё более высоких температурах.