Ученые MIT раскрыли тайну сосуществования магнетизма и сверхпроводимости
Ученые из Массачусетского технологического института предложили теоретическое объяснение неожиданного сосуществования магнетизма и сверхпроводимости, наблюдаемого в двух экспериментах в этом году. Их работа, опубликованная в Proceedings of the National Academy of Sciences, раскрывает внутренние механизмы нового квантового явления, которое может положить начало новой главе в физике.
Ранее считалось, что эти два квантовых состояния взаимно исключают друг друга, поскольку магнитное поле должно разрушать хрупкие куперовские пары электронов, ответственные за сверхпроводимость. Однако эксперименты с многослойным ромбоэдрическим графеном и кристаллом дителлурида молибдена (MoTe₂) показали одновременное присутствие магнетизма и сверхпроводимости, а также экзотический куперовские пары квантовый аномальный эффект Холла. Ведущий автор нового исследования, профессор физики MIT Сентил Тодадри, описывает первые сообщения об этих результатах как "электризующие", вызвавшие множество вопросов о возможности такого явления.
Предложенное объяснение заключается в том, что в определенных условиях электрон в магнитном материале может расщепляться на крошечные квазичастицы — анионы. Если это расщепление происходит в строго определенных дробных соотношениях, эти квазичастицы способны обрести бесфрикционное течение, имитирующее поток электронов в сверхпроводниках. Таким образом, в магнитных сверхпроводниках обнаруживается не просто парадокс, а новый тип сверхпроводимости, основанный не на обычных электронах, а на экзотических анионах. Теоретическая работа Тодадри и его соавтора Чжэнъяня Дариуса Ши, основанная на уравнениях квантовой теории поля, показала, что ключевую роль играет плотность электронов. При одних условиях образуются анионы с зарядом 1/3, движение которых "фрустрировано", а при других — анионы с зарядом 2/3, которые способны преодолеть эту квантовую фрустрацию и образовать сверхпроводящее состояние.
Профессор Тодадри подчеркивает, что необходимо еще множество экспериментов, но теория является многообещающей и указывает на новые пути возникновения сверхпроводимости. Подтверждение существования этих сверхпроводящих анионов откроет принципиально новый метод создания кубитов для квантовых компьютеров, что является значительным шагом на пути к практическому применению квантовых вычислений. Кроме того, исследователи обнаружили, что анионная сверхпроводимость зарождается иначе, чем классическая: в виде новых паттернов закрученных сверхтоков, случайным образом возникающих в разных точках материала.
"Если наше анионное объяснение того, что происходит в MoTe₂, верно, это открывает двери для изучения нового вида квантовой материи, которую можно назвать 'анионной квантовой материей'", — заключил Тодадри.
Исследование было в PNAS.