Ученые обнаружили необычные волны заряда в кристалле дителлурида урана

Понимание порядка или беспорядка помогает нам понять природу. Животные, как правило, хорошо вписываются в категории: млекопитающие, птицы, рептилии, аксолотль и т.д. 

Сортировка применима и к материалам: изолятор, полупроводник, проводник и даже сверхпроводник. Место материала в иерархии зависит от невидимого на первый взгляд взаимодействия электронов, атомов и их окружения.

В отличие от животных, здесь границы не столь резкие, и изменение условий окружающей среды может заставить материал переходить из одной категории в другую. Например, снижение температуры превращает некоторые материалы в сверхпроводники. Если же включить магнитное поле, то этот эффект будет обратным. В пределах одной категории из моря частиц могут возникать различные типы упорядоченности, или фазы. К сожалению, мы не можем увидеть эту наноскопическую вселенную своими глазами, но ученые могут использовать современные средства визуализации, чтобы представить себе происходящее. Время от времени они обнаруживают неожиданные и удивительные формы поведения.

Открытие новых состояний вещества — одна из священных целей физики, которая часто вызывает большое волнение, поскольку может изменить наш образ мышления и видения и даже изменить наше представление о поведении квантовых частиц, — говорит профессор физики Видья Мадхаван.

Под руководством Мадхавана исследователи из Иллинойского университета, Мэрилендского университета, Университета штата Вашингтон и Национального института стандартов и технологий наблюдали необычные волны заряда в кристалле дителлурида урана (UTe2). Теоретики, входящие в состав группы, разработали модель, которая связывает экспериментальные наблюдения с ранее невидимой гранью необычной сверхпроводимости этого кристалла. Результаты, впервые представленные на конференции в прошлом году, вдохновили других исследователей из Корнельского университета на прямые измерения дополнительных характеристик сверхпроводимости. Оба результата опубликованы в номере журнала Nature от 28 июня.

Сверхпроводники были открыты только в 1900-х годах, и ученые до сих пор работают над объяснением огромного количества материалов, которые попадают в эту категорию. Данная работа является последней в ряду результатов, касающихся сверхпроводника UTe2. Кристаллы для этого исследования предоставили ученые из групп Николаса Бутча из NIST и Джонпьера Пальоне из Университета Мэриленда. При температуре окружающей среды UTe2 довольно непримечателен и напоминает немного блестящий расплавленный камень. При охлаждении материала жидким гелием он начинает проводить электричество, не нагреваясь, — это называется сверхпроводимостью.

Обычная электропроводность — движение электронов, питающее электроприборы, — в основном является одночастичным эффектом. Это означает, что ученые могут объяснить и предсказать обычную проводимость, не учитывая физику электрон-электронных взаимодействий. Сверхпроводимость отличается тем, что в ней электроны взаимодействуют между собой, образуя так называемые куперовские пары.

Пары Купера не одинаковы для всех материалов, поэтому сверхпроводимость имеет несколько разновидностей. Например, каждый электрон обладает свойством, называемым спином, который может быть ориентирован одним из двух способов: вверх или вниз. Когда два электрона связываются вместе, их спины могут быть ориентированы в противоположных направлениях или в одном направлении. Последнее называется триплетным спариванием и является редкой птицей в мире сверхпроводимости. За последние несколько лет ученые этой и других групп провели измерения, свидетельствующие о наличии в UTe2 триплетного спаривания.

В данном исследовании экспериментаторы из группы Мадхавана использовали сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) для визуализации микроскопической структуры материала. В этом микроскопе нет ни линз, ни зеркал. Вместо этого электроны дают чувствительное окно в структуру UTe2. В микроскопе вольфрамовый наконечник перемещается по поверхности материала с субнанометровым разрешением. И наконечник, и материал являются частью электрической цепи, в которой электроны перемещаются через вакуум от наконечника к материалу. Квантовое туннелирование вызывает это движение, что и послужило причиной названия прибора. Установка работает при температуре 300 милликельвинов и магнитном поле до 11 Тесла. С помощью СТМ было обнаружено, что распределение электрического заряда не является равномерным — вместо этого имеются полосы.

Мы обнаружили существование волны плотности заряда в сверхпроводящем состоянии, но само по себе это не является чем-то необычным. Странно то, что при разрушении сверхпроводимости волна заряда также исчезает, — говорит Анува Айшвария, ведущий автор работы и аспирант физического факультета в группе Мадхавана, который неустанно занимается изучением физики UTe2 и других экзотических материалов.

Группа провела Фурье-анализ данных, который ясно показал, что волны зарядовой плотности присутствуют при низких магнитных полях, а затем исчезают при напряжении выше 10 Тл, где сверхпроводимость исчезает. Это был один из ключевых сигналов того, что волны каким-то образом связаны со сверхпроводимостью материала.

Теоретики Джулиан Мэй-Манн и профессор физики Эдуардо Фрадкин из UIUC дали объяснение этим наблюдениям. По их мнению, волны плотности заряда порождаются совершенно другой волной в материале, состоящей из куперовских пар. Ни одна из этих волн не приливает и не отливает, как вода. Вместо этого они представляют собой статические изменения двух различных свойств: одно относится к заряду, другое — к взаимодействующим электронным парам. Вместе эти волны дают представление о типах порядка, возникающих в UTe2. Переплетающиеся волны «родитель-дочь» могут возникать и в других сверхпроводниках, содержащих атомы меди и кислорода. Новое исследование — это первый случай, когда ученые увидели доказательства этого в сверхпроводнике с триплетной парой.

Для меня это очень интересно. Если эта волна плотности заряда возникает из волны плотности триплетной пары, то, возможно, в этом материале появилась принципиально новая фаза, обусловленная очень сильным взаимодействием электронов, — заключила Айшвария.

02.08.2023