Физики нашли новое сверхпроводящее состояние: модуляцию плотности куперовских пар

Сверхпроводимость — физическое состояние, при котором металл способен проводить электричество без сопротивления, а значит и без потерь. В своем наиболее известном применении, в аппаратах МРТ, она дает врачам заглянуть внутрь нашего тела. На сегодняшний день материалы могут достигать сверхпроводимости только при очень низких температурах.

Ученые давно стараются создать или найти материалы, способные обеспечить сверхпроводимость при комнатной температуре. Это могло бы изменить медицину, энергетику и квантовые вычисления. 

Команда физиков обнаружила новое сверхпроводящее состояние — модуляцию плотности куперовских пар. Статья об этой работе опубликована в журнале Nature.

В металлах электроны сталкиваются с ионами, пока движутся через материал. Каждое столкновение приводит к потере энергии, увеличивая электрическое сопротивление. В сверхпроводниках электроны притягиваются друг к другу и могут связываться, образуя куперовские пары. Пока электроны остаются в определенном относительно небольшом диапазоне энергетических уровней, известном как энергетическая щель, они остаются спаренными и не теряют энергию при столкновениях. В энергетической щели «живет» сверхпроводимость.

Обычно энергетическая щель сверхпроводника одинакова во всех точках материала. В 1960-х ученые предположили, что энергетическая щель в некоторых сверхпроводящих материалах может модулироваться в пространстве, то есть обладать разным размером. Позже ученые дополнили эту теорию предложением состояния волны плотности пар (PDW). Эта часть теории предполагает сверхпроводящее состояние, в котором энергетическая щель колеблется между большим и меньшим значением.

Исследователи работали с тонкими пластинками сверхпроводника на основе теллура и селена с содержанием железа — FeTe0,55Se0,45. Физики обнаружили модуляцию сверхпроводящей щели с наименьшей возможной длиной волны, соответствующей расстоянию между атомами в кристалле. Они назвали это состояние модуляцией плотности куперовских пар (PDM, Cooper-pair density modulation).

Электронная структура и показатели сверхпроводимости тонких хлопьев Fe(Te,Se) / © Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-08703-x

«Мы пронаблюдали 40-процентную модуляцию щели. Это — наиболее четкое экспериментальное доказательство того, что модуляция щели может существовать даже на атомном масштабе», — говорит Линьюань Конг (Lingyuan Kong), ведущий автор статьи.

Открытие смогли сделать благодаря первой успешной реализации экспериментов по сканирующей туннельной микроскопии железосодержащего сверхпроводника на устройстве для изучения тонких пластинок. Подобные эксперименты в течение почти двух десятилетий страдали из-за сильного загрязнения поверхности, но команда исследования смогла разработать новый подход, который позволил получить достаточно чистую поверхность для микроскопических исследований.

Авторы также разработали теоретическую модель объяснения возможного происхождения наблюдаемой модуляции щели. Их модель предполагает, что эта модуляция состояния PDM возникает из-за нарушения как подрешеточной симметрии, так и уникальной вращательной симметрии, характерной для тонких пластинок.

Источник: https://naked-science.ru/article/physics/new-superconductivity-sta