Сверхпроводники предлагают огромные технические и экономические перспективы в таких сферах, как высокоскоростные поезда на воздушной подушке, аппараты МРТ, эффективные линии электропередач, квантовые вычисления и другие технологии. Однако их полезность ограничена, поскольку сверхпроводимость требует чрезвычайно низких температур. Интегрировать их с современными технологиями очень сложно из-за этого трудновыполнимого и дорогостоящего аспекта.
Электрическое сопротивление сверхпроводника имеет определенную критическую температуру, выше которой оно внезапно падает до нуля, в отличие от обычного металлического проводника, сопротивление которого постепенно уменьшается с понижением температуры, вплоть до почти абсолютного нуля.
Поиск сверхпроводников, не требующих таких низких температур, является основной задачей современных исследований сверхпроводимости. Механизм, с помощью которого эти сверхпроводники функционируют, является самой большой загадкой в этой области, на которую ни у кого нет ответа. Понимание процесса, который создает сверхпроводимость при высоких температурах, позволит найти более практические применения.
Недавнее исследование, проведенное учеными из израильского университета Бар-Илан и недавно опубликованное в журнале Nature, продвинулось вперед в решении этой загадки. Используя сканирующий магнитный микроскоп SQUID (сверхпроводящее квантовое интерференционное устройство), исследователи зафиксировали явление, которое ранее было невидимым для других методов.
Ученые были ошеломлены, когда впервые были обнаружены высокотемпературные сверхпроводники. Ученые предполагали, что металлы обладают хорошей сверхпроводимостью. Вопреки предсказаниям было обнаружено, что изолирующие керамические материалы являются лучшими сверхпроводниками.
Обнаружение свойств, общих для этих керамических материалов, может помочь определить источник их сверхпроводимости и улучшить контроль над критической температурой. Одним из таких свойств является то, что электроны в этих материалах сильно сопротивляются друг другу. Таким образом, они не могут свободно двигаться. Вместо этого они заперты внутри периодической решетчатой структуры.
У электронов есть два определяющих свойства: их заряд (движение заряда приводит к возникновению электрического тока) и их вращение. Спин — это квантовое свойство электронов, ответственное за их магнитные свойства. Как будто к каждому электрону прикреплен крошечный стержневой магнит. В обычных материалах заряд и спин "встроены" в электроны и не могут быть разделены.
Однако в особых квантовых материалах, называемых "квантовыми спиновыми жидкостями", взаимодействия между электронами приводят к уникальному явлению, при котором каждый электрон распадается на две частицы: одну с зарядом (но без спина) и одну со спином (и без заряда). Такие квантовые спиновые жидкости могут существовать в высокотемпературных сверхпроводниках, и, по сути, их существование может объяснить, почему сверхпроводимость в этих материалах такая хорошая.
Проблема в том, что эти спиновые жидкости «невидимы» для обычных измерений. Даже когда мы подозреваем, что материал может быть спиновой жидкостью, нет эксперимента, который мог бы подтвердить это или исследовать его природу. Это похоже на темную материю, которая не взаимодействует со светом и поэтому ее очень трудно обнаружить.
Нынешнее исследование, проведенное профессором Биной Калиски и докторантом Эйлоном Перски с физического факультета Университета Бар-Илан и их сотрудниками, является важным шагом на пути к разработке метода изучения спиновых жидкостей. Исследователи изучили свойства спиновой жидкости, заставив ее взаимодействовать со сверхпроводником. Они использовали искусственный материал, состоящий из чередующихся атомных слоев сверхпроводника и потенциальной спиновой жидкости.
Результаты экспериментов указывали на "скрытую" магнитную фазу, которая обнажалась в эксперименте за счет взаимодействия со сверхпроводящим слоем. Сотрудничая с группами из Университета Бар-Илан, Техниона, Института Вейцмана, Калифорнийского университета в Беркли и Технологического института Джорджии, исследователи пришли к выводу, что эта магнитная фаза, вероятно, была прямым результатом связи между слоем спиновой жидкости и сверхпроводящий слой. Скрытый магнетизм является результатом разделения спинов и зарядов в спиновой жидкости. Сверхпроводник реагирует на этот магнетизм, и это создает вихри без необходимости в "настоящем" магнитном поле.
Фактически это первое прямое наблюдение связи между этими двумя фазами материи. Эти результаты открывают доступ к свойствам неуловимых спиновых жидкостей, таким как взаимодействие между электронами. Результаты также открывают двери для разработки дополнительных слоистых материалов, с помощью которых можно изучать взаимосвязь между сверхпроводимостью и другими электронными фазами. Дальнейшие исследования взаимосвязи между спиновыми жидкостями и сверхпроводимостью могут позволить разработать сверхпроводники, работающие при комнатной температуре, а это, в свою очередь, изменит нашу повседневную жизнь.