Физики из Массачусетского технологического института (MIT) утверждают, что эти квазичастицы могут объяснить, как сверхпроводимость и магнетизм могут сосуществовать в некоторых материалах.
В прошлом году два отдельных эксперимента с двумя разными материалами зафиксировали один и тот же запутывающий сценарий: сосуществование сверхпроводимости и магнетизма. Учёные полагали, что эти два квантовых состояния взаимоисключающие; присутствие одного должно разрушать другое.
Теперь у физиков-теоретиков из MIT есть объяснение того, как может возникнуть такая двойственность Джекила и Хайда. В статье, опубликованной сегодня в «Proceedings of the National Academy of Sciences», команда предполагает, что при определённых условиях электроны магнитного материала могут расщепляться на части, образуя квазичастицы, известные как «анионы». В определённых долях квазичастицы должны течь вместе без трения, подобно тому как обычные электроны могут объединяться в пары для протекания в обычных сверхпроводниках.
Если сценарий команды верен, это представит совершенно новую форму сверхпроводимости — ту, которая сохраняется при наличии магнетизма и включает в себя сверхток экзотических анионов, а не обычных электронов.
«Понадобится ещё много экспериментов, прежде чем можно будет объявить о победе», — говорит ведущий автор исследования Сентил Тодадри, профессор физики в MIT. «Но эта теория очень многообещающая и показывает, что могут быть новые способы возникновения явления сверхпроводимости».
Более того, если идею о сверхпроводящих анионах можно будет подтвердить и контролировать в других материалах, это может предоставить новый способ создания стабильных кубитов — «битов» атомного масштаба, которые взаимодействуют квантово-механически для обработки информации и выполнения сложных вычислений гораздо эффективнее, чем обычные компьютерные биты.
«Эти теоретические идеи, если они оправдаются, могут сделать эту мечту на шаг ближе», — говорит Тодадри.
Соавтор исследования — аспирант физического факультета MIT Чжэнъян Дариус Ши.
Как работают сверхпроводимость и магнетизм
Сверхпроводимость и магнетизм — это макроскопические состояния, возникающие из-за поведения электронов. Материал является магнитом, когда электроны в его атомной структуре имеют примерно одинаковый спин или орбитальное движение, создавая коллективное притяжение в виде магнитного поля внутри материала в целом. Материал является сверхпроводником, когда электроны, проходящие через него в виде напряжения, могут объединяться в «куперовские пары». В этом объединённом состоянии электроны могут скользить по материалу без трения, а не беспорядочно ударяться о его атомную решётку.
В течение десятилетий считалось, что сверхпроводимость и магнетизм не должны сосуществовать; сверхпроводимость — это деликатное состояние, и любое магнитное поле может легко разорвать связи между куперовскими парами. Но ранее в этом году два отдельных эксперимента доказали обратное.
В первом эксперименте Лонг Джу из MIT и его коллеги обнаружили сверхпроводимость и магнетизм в ромбоэдрическом графене — синтезированном материале, состоящем из четырёх или пяти слоёв графена.
«Это было потрясающе», — говорит Тодадри, вспоминая, как Джу представлял результаты на конференции. «Это оживило место. И появилось больше вопросов о том, как это возможно».
Вскоре после этого вторая команда сообщила о подобных двойных состояниях в полупроводниковом кристалле дителлурида молибдена (MoTe2). Интересно, что условия, при которых MoTe2 становится сверхпроводящим, совпадают с условиями, при которых материал проявляет экзотический «дробный квантовый аномальный эффект Холла» (FQAH) — явление, при котором любой электрон, проходящий через материал, расщепляется на части. Эти дробные квазичастицы известны как «анионы».
Что такое анионы?
Анионы — это совершенно иной тип частиц по сравнению с двумя основными типами частиц, из которых состоит Вселенная: бозонами и фермионами. Бозоны — это частицы-экстраверты, поскольку они предпочитают быть вместе и путешествовать стаями. Фотон является классическим примером бозона. Напротив, фермионы предпочитают держаться в стороне и отталкивают друг друга, если находятся слишком близко. Электроны, протоны и нейтроны являются примерами фермионов. Вместе бозоны и фермионы — это два основных царства частиц, составляющих материю в трёхмерной Вселенной.
Анионы, напротив, существуют только в двумерном пространстве. Этот третий тип частиц был впервые предсказан в 1980-х годах, а его название придумал Фрэнк Вильчек из MIT, имея в виду идею о том, что с точки зрения поведения частиц «всё возможно».
Несколько лет спустя после того, как анионы были впервые предсказаны, физики, такие как Роберт Лафлин, Вильчек и другие, также предположили, что в присутствии магнетизма квазичастицы должны быть способны к сверхпроводимости.
«Люди знали, что для того, чтобы анионы сверхпроводили, обычно нужен магнетизм, и искали магнетизм во многих сверхпроводящих материалах, — говорит Тодадри. — Но сверхпроводимость и магнетизм обычно не встречаются вместе. Поэтому они отказались от этой идеи».
Но с недавним открытием того, что два состояния могут мирно сосуществовать в некоторых материалах, и в MoTe2 в частности, Тодадри задумался: могут ли старая теория и сверхпроводящие анионы быть задействованы?
Преодолевая фрустрацию
Тодадри и Ши решили ответить на этот вопрос теоретически, опираясь на свою недавнюю работу. В своём новом исследовании команда разработала условия, при которых сверхпроводящие анионы могут появиться в двумерном материале. Для этого они применили уравнения квантовой теории поля, которая описывает, как взаимодействия на квантовом уровне, например, на уровне отдельных анионов, могут привести к макроскопическим квантовым состояниям, таким как сверхпроводимость.
«Когда в системе есть анионы, каждый анион может попытаться двигаться, но его движение затруднено присутствием других анионов», — объясняет Тодадри. «Эта фрустрация возникает, даже если анионы находятся на очень большом расстоянии друг от друга. И это чисто квантово-механический эффект».
Несмотря на это, команда искала условия, при которых анионы могли бы вырваться из этой фрустрации и двигаться как одна макроскопическая жидкость. Анионы образуются, когда электроны расщепляются на части при определённых условиях в двумерных материалах толщиной в один атом, таких как MoTe2. Учёные ранее наблюдали, что MoTe2 проявляет FQAH, при котором электроны расщепляются без помощи внешнего магнитного поля.
Тодадри и Ши взяли MoTe2 за отправную точку для своей теоретической работы. Они смоделировали условия, при которых явление FQAH возникло в MoTe2, а затем посмотрели, как электроны будут расщепляться и какие типы анионов будут образовываться, когда они теоретически увеличат количество электронов в материале.
Они отметили, что в зависимости от плотности электронов в материале могут образовываться два типа анионов: анионы с зарядом 1/3 или 2/3 от заряда электрона. Затем они применили уравнения квантовой теории поля, чтобы выяснить, как будут взаимодействовать любые из двух типов анионов, и обнаружили, что когда анионы в основном имеют заряд 1/3, они предсказуемо фрустрированы, и их движение приводит к обычной металлической проводимости. Но когда анионы в основном имеют заряд 2/3, эта конкретная доля побуждает обычно сдержанных анионов вместо этого двигаться коллективно, образуя сверхпроводник, подобно тому как электроны могут объединяться в пары и течь в обычных сверхпроводниках.
«Эти анионы вырываются из своей фрустрации и могут двигаться без трения», — говорит Тодадри. «Удивительно то, что это совершенно другой механизм, с помощью которого может образоваться сверхпроводник, но таким образом, который можно описать как куперовские пары в любой другой системе».
Их работа показала, что сверхпроводящие анионы могут появиться при определённых плотностях электронов. Более того, они обнаружили, что когда впервые появляются сверхпроводящие анионы, они делают это в совершенно новом паттерне закрученных сверхтоков, которые спонтанно появляются в случайных местах по всему материалу. Это поведение отличается от обычных сверхпроводников и представляет собой экзотическое состояние, которое экспериментаторы могут искать как способ подтвердить теорию команды. Если их теория верна, это представит новую форму сверхпроводимости через квантовые взаимодействия анионов.
«Если наше объяснение, основанное на анионах, действительно происходит в MoTe2, это открывает дверь для изучения нового вида квантовой материи, который можно назвать «анионной квантовой материей», — говорит Тодадри. «Это будет новая глава в квантовой физике».
Это исследование частично финансировалось Национальным научным фондом.
Статья: «Anyon delocalization transitions out of a disordered FQAH insulator».