Центральный принцип сверхпроводимости состоит в том, что электроны образуют пары. Но могут ли они также объединиться в четверки? Недавние открытия показали, что это возможно, и сегодня физик из Королевского технологического института KTH опубликовал первое экспериментальное свидетельство этого четырехкратного эффекта и механизма, с помощью которого возникает такое состояние вещества.
В статье, опубликованной в журнале Nature Physics, профессор Егор Бабаев и его сотрудники представили доказательства четырехкратного увеличения фермионов в серии экспериментальных измерений на материале на основе железа, Ba1−xKxFe2As2. Результаты появились почти через 20 лет после того, как Бабаев впервые предсказал такое явление, и через восемь лет после того, как он опубликовал статью, предсказывающую, что это могло произойти в материале.
Спаривание электронов обеспечивает квантовое состояние сверхпроводимости, состояние проводимости с нулевым сопротивлением, которое используется в сканерах МРТ и квантовых вычислениях . Это происходит внутри материала в результате связывания двух электронов, а не отталкивания друг друга, как в вакууме. Это явление было впервые описано в теории Леона Купера, Джона Бардина и Джона Шриффера, работа которых была удостоена Нобелевской премии в 1972 году.
Так называемые куперовские пары — это, по сути, "притягивающие противоположности". Обычно два электрона, являющиеся отрицательно заряженными субатомными частицами, сильно отталкиваются друг от друга. Но при низких температурах в кристалле они становятся слабо связанными парами, создавая устойчивый дальний порядок. Токи электронных пар больше не рассеиваются от дефектов и препятствий, и проводник может потерять все электрическое сопротивление, превратившись в новое состояние материи: сверхпроводник. Лишь в последние годы теоретическая идея четырехфермионных конденсатов получила широкое распространение.
По словам автора работы, для возникновения состояния четырехэлектронного увеличения фермионов должно быть что-то, что предотвращает конденсацию пар и препятствует их течению без сопротивления, в то же время позволяя конденсацию четырехэлектронных композитов.
Теория Бардина-Купера-Шриффера не допускала такого поведения, поэтому, когда экспериментальный сотрудник Бабаева из Технического университета Дрездена, Вадим Гриненко, обнаружил в 2018 году первые признаки фермионного конденсата, увеличивающего в четыре раза количество фермионов, это бросило вызов многолетнему общепринятому научному соглашению. За этим последовали три года экспериментов и исследований в лабораториях нескольких учреждений, чтобы подтвердить открытие.
Авторы успешного эксперимента говорят, что ключевым среди сделанных наблюдений является то, что фермионные четверные конденсаты спонтанно нарушают симметрию относительно обращения времени. В физике симметрия обращения времени - это математическая операция замены выражения для времени на его отрицательное значение в формулах или уравнениях, чтобы они описывали событие, в котором время бежит назад или все движения меняются местами.
Если изменить направление времени, фундаментальные законы физики останутся в силе. То же самое и с типичными сверхпроводниками: если стрелка времени перевернется, типичный сверхпроводник все равно останется в том же сверхпроводящем состоянии. Однако в случае четырехфермионного конденсата, о котором идет речь в работе, обращение времени переводит его в другое состояние.
Вероятно, потребуется много лет исследований, чтобы полностью понять это состояние. Эксперименты открывают ряд новых вопросов, обнаруживая ряд других необычных свойств, связанных с его реакцией на температурные градиенты, магнитные поля и ультразвук, которые еще предстоит лучше понять.