Физики нашли сверхпроводник с необычным квантовым эффектом, связанным с симметрией времени
Физики обнаружили необычное квантовое состояние в диантимониде иттербия YbSb₂. При переходе этого материала в сверхпроводящее состояние внутри него самопроизвольно возникают слабые магнитные поля — признак нарушения симметрии обращения времени. По данным авторов работы, YbSb₂ стал первым известным сверхпроводником I типа, у которого экспериментально обнаружен такой эффект.
Симметрия обращения времени означает, что физические процессы описываются теми же законами, если математически изменить направление времени на противоположное. Магнитное поле при такой операции должно изменить направление. Поэтому появление собственного магнитного поля одновременно с переходом материала в сверхпроводящее состояние указывает на нарушение этой симметрии.
Исследователи из Индийского института научного образования и исследований в Бхопале и других научных центров получили монокристаллы YbSb₂ и изучили их электрическое сопротивление, теплоёмкость и магнитные свойства. Материал становился сверхпроводником при температуре около 0,95 К, или примерно −272,2 °C. Его критическое магнитное поле при температуре 0,1 К составило около 51 гаусса.
Ключевые измерения провели с помощью мюонной спиновой спектроскопии. В образец направляли мюоны — нестабильные элементарные частицы, спин которых позволяет регистрировать очень слабые локальные магнитные поля внутри вещества. После охлаждения ниже критической температуры исследователи обнаружили дополнительное внутреннее поле величиной примерно 0,44 гаусса, которого не было в обычном состоянии материала.
Одновременно измерения в поперечном магнитном поле подтвердили, что YbSb₂ относится именно к сверхпроводникам I типа. Такие материалы при достижении критического поля переходят из сверхпроводящего состояния в обычное иначе, чем более распространённые в современных технологиях сверхпроводники II типа. Ранее нарушение симметрии обращения времени наблюдали в основном у сверхпроводников II типа.
Расчёты электронной структуры показали ещё одну необычную особенность YbSb₂. Авторы классифицировали его как топологический металл с нетривиальной электронной структурой. Чтобы объяснить сочетание полного сверхпроводящего энергетического зазора и самопроизвольного магнитного поля, они предложили необычный механизм образования куперовских пар.
Наиболее вероятным состоянием исследователи считают так называемое внутренне антисимметричное неунитарное триплетное состояние. В такой модели электроны образуют пары между разными орбиталями, а их спины не компенсируют друг друга полностью. Это может приводить к появлению собственного магнитного момента и тем самым объяснять нарушение симметрии обращения времени. Пока этот конкретный механизм основан на теоретическом анализе и требует дополнительной экспериментальной проверки.
Расчёты также показали, что при таком состоянии на поверхности YbSb₂ могут возникать майорановские моды — квантовые возбуждения, обладающие свойствами собственной античастицы. Подобные состояния рассматриваются как один из возможных элементов устойчивых к ошибкам квантовых вычислений. Однако майорановские моды непосредственно в YbSb₂ в этой работе не наблюдали — их существование следует из теоретической модели.
Авторы предлагают проверить предсказанные поверхностные состояния с помощью фотоэлектронной спектроскопии и сканирующей туннельной микроскопии, а также продолжить исследования родственных соединений. Это должно помочь установить микроскопический механизм необычной сверхпроводимости YbSb₂ и выяснить, действительно ли материал обладает топологическим сверхпроводящим состоянием.
Исследование в журнале Physical Review Letters.