Сверхпроводимость (материалы, которые проводят электричество без сопротивления) уже более века привлекает физиков. Хотя обычные сверхпроводники хорошо изучены, новый класс материалов, известных как топологические сверхпроводники, в последние годы вызвал большой интерес.
Сообщается, что эти сверхпроводники способны поддерживать майорановские квазичастицы — экзотические состояния, которые могут изменить область отказоустойчивых квантовых вычислений. Однако многие фундаментальные свойства этих новых объёмных топологических сверхпроводников остаются относительно неизвестными, оставляя открытыми вопросы о том, как их необычные электронные состояния взаимодействуют с кристаллической решёткой.
В новом исследовании, проведённом профессором Гоу-цином Чжэном совместно с Казуаки Матано, С. Такаянаги, К. Ито из Университета Окаямы и профессором Х. Накао из Организации по исследованиям в области высоких энергий (KEK), опубликованном в журнале Physical Review Letters 22 августа 2025 года, исследователи сообщают, что легированный топологический изолятор Cu$x$Bi$2$Se$_3$ претерпевает крошечные, но спонтанные искажения своей кристаллической решётки при переходе в сверхпроводящее состояние.
Это первое явное доказательство того, что топологический сверхпроводник способен взаимодействовать с кристаллической решёткой и искажать её во время сверхпроводящего перехода — явление, неизвестное физикам до сих пор.
Обычно сверхпроводимость связывают с парным соединением электронов, которое не затрагивает основную решётку. Но в Cu$x$Bi$2$Se$_3$, редком спинтройном топологическом сверхпроводнике, профессор Чжэн и его коллеги наблюдали искажения примерно в 100 частей на миллион, когда параметр сверхпроводящего порядка, известный как вектор d, отклонялся от осей высокой симметрии кристалла. Подобных искажений не обнаружено в более симметричных состояниях или в сильно легированных кристаллах, где доминирует хиральное сверхпроводящее состояние.
«Наша работа демонстрирует, что искажение решётки — это не просто побочный продукт, а ключевой диагностический инструмент для идентификации нетрадиционных сверхпроводящих фаз», — добавил профессор Чжэн.
Исследование основано на более ранних экспериментах по ядерному магнитному резонансу, которые показали нарушение симметрии спинового вращения в Cu$x$Bi$2$Se$_3$, признак спинтройного спаривания. Исследователи установили прямую связь между симметрией сверхпроводимости и структурным откликом материала, объединив синхротронную дифракцию рентгеновских лучей с измерениями восприимчивости, разрешёнными по углу.
Помимо фундаментального значения, открытие имеет практическое применение. «Топологический сверхпроводник может быть применён в отказоустойчивых квантовых вычислениях. Важно знать основные свойства материала при изготовлении квантовых битов из таких сверхпроводников», — сказал профессор Чжэн.
Объёмные топологические сверхпроводники встречаются редко, и их свойства плохо изучены. Это ограничивало их использование вне лаборатории. Исследователи считают, что новые результаты могут помочь изменить ситуацию: «Объёмные топологические сверхпроводники не использовались в промышленности просто потому, что материалы редки, а их свойства плохо изучены. Наша работа продвинет промышленное применение при создании квантовых компьютеров нового поколения».
Результаты также согласуются с более широкими исследованиями многокомпонентных сверхпроводников, включая материалы на основе железа, решётки Кагоме и скрученный бислойный графен. Во всех этих системах могут присутствовать экзотические состояния, в которых параметр порядка сверхпроводимости взаимодействует со степенями свободы решётки.
Тем не менее исследователи предупреждают, что остаются открытыми вопросы. Сила связи оказывается чувствительной к дефектам, введённым во время роста кристалла, что предполагает, что подготовка образцов и чистота будут играть центральную роль в будущих экспериментах и потенциальных приложениях.
Это исследование предоставляет физикам конденсированных сред новый инструмент для изучения топологических квантовых состояний, раскрывая, как сверхпроводимость может искажать решётку, приближая область к использованию этих экзотических свойств в квантовых технологиях.
Самый чувствительный в мире настольный эксперимент устанавливает новые ограничения на сверхвысокочастотные гравитационные волны
Самая чувствительная в мире настольная интерферометрическая система — миниатюрная версия детекторов гравитационных волн длиной в несколько миль, таких как LIGO, — завершила свой первый научный запуск.
Эксперимент Quantum Enhanced Space-Time measurement (QUEST), проводимый в Школе физики и астрономии Кардиффского университета, направлен на раскрытие фундаментальной природы пространства-времени.
QUEST может измерять изменения длины, в 100 триллионов раз меньшие, чем ширина человеческого волоса, и установил новый рекорд чувствительности всего за трёхчасовой эксперимент.
Этот рекордный уровень чувствительности поможет исследователям изучить новую физику, связанную с пространством-временем, гравитацией и существованием тёмной материи.
Их экспериментальные результаты, представленные в Physical Review Letters, установили новые ограничения на существование сверхвысокочастотных гравитационных волн, которые, по мнению исследователей, могли быть испущены источниками из ранней Вселенной или миниатюрными чёрными дырами.
Знания, полученные при разработке и вводе в эксплуатацию эксперимента, также будут способствовать созданию детекторов гравитационных волн следующего поколения, по словам команды.
«Наш эксперимент пытается ответить на вопрос, квантуется ли пространство-время», — объясняет ведущий автор Абинав Патра, научный сотрудник Энрико Ферми, проводящий докторские исследования в Институте гравитационных исследований Кардиффского университета.
«Современная физика рассматривает пространство и время не как две отдельные вещи, а как единое физическое целое. Проблема, над которой мы работаем, направлена на установление наименьшей возможной единицы пространства-времени. Таким образом, она следует результатам экспериментов на протяжении всего XX века, которые доказали, что другие подобные сущности, такие как электрические и магнитные поля, квантованы».
«Это долгосрочная цель QUEST. В этом исследовании мы делаем первые шаги к этой цели и достигаем рекордного уровня чувствительности с помощью приборов, достаточно компактных, чтобы поместиться на одном столе в лаборатории».
Настольный эксперимент, подобный QUEST, предлагает исследователям гибкость для оптимизации поиска фундаментальных научных сигналов от тёмной материи или квантовой гравитации, теории, описывающей, как пространство-время вело бы себя, если бы оно было квантовым по своей природе.
Квантовое пространство-время активно исследуется в области физики в течение последних пяти десятилетий. Были проведены теоретические и экспериментальные исследования, начиная от космологических обзоров и заканчивая левитирующими алмазами, многие из которых находятся в стадии разработки.
Команда Кардиффа использовала свой более чем 50-летний опыт в исследованиях гравитационных волн и впервые применила настольные интерферометры в этом направлении.
Соавтор профессор Хартмут Гроте, также из Института гравитационных исследований, сказал: «Квантовые теории гравитации могут проявляться в виде флуктуаций в пространстве-времени, которые интерферометры превосходно умеют измерять».
«QUEST — это интерферометрический подход к проблеме квантовой гравитации. Поэтому он использует все уроки, извлечённые из технологических разработок, сделанных для интерферометрического обнаружения гравитационных волн, для изучения квантовой гравитации».
«В этом исследовании мы демонстрируем, насколько чувствительными могут быть настольные интерферометры. Мы разработали технику корреляции, которая ищет общие сигналы в двух независимых инструментах. Это позволило нам искать сверхвысокочастотные гравитационные волны с рекордной чувствительностью».
Эксперимент QUEST занял у команды четыре года на разработку, установку и ввод в эксплуатацию. Сейчас они работают над проведением месячного научного запуска, который, по их словам, позволит ещё больше повысить чувствительность, с которой можно будет исследовать флуктуации пространства-времени и гравитационные волны.