Сверхпроводники — материалы, которые при сильном охлаждении проводят ток совсем без сопротивления. Их делят на два рода, и до сих пор одно редкое и загадочное свойство встречалось только у сверхпроводников второго рода. Физики из Индийского института научного образования и исследований в Бхопале впервые обнаружили его у сверхпроводника первого рода — диантимонида иттербия YbSb₂. Работа опубликована в журнале Physical Review Letters.
Два рода сверхпроводников
Сверхпроводник не любит магнитное поле и выталкивает его из себя. Но делает он это по-разному.
Сверхпроводник первого рода выталкивает поле полностью, пока оно слабое. Если поле сделать сильнее определённого порога, сверхпроводимость исчезает. Таковы многие чистые металлы, например свинец и ртуть. Их сверхпроводимость обычно считается самой «простой» и хорошо объяснённой.
Сверхпроводник второго рода ведёт себя хитрее: он пропускает поле внутрь тонкими нитями-вихрями и остаётся сверхпроводником в гораздо более сильных полях. Именно к этому роду относились все материалы, у которых раньше находили нарушение симметрии времени.
Что такое симметрия времени
Представьте, что вы сняли на видео движение частиц и прокрутили запись задом наперёд. Для многих физических процессов обратная запись тоже выглядит вполне возможной. Это и есть симметрия относительно обращения времени.
Магнитное поле эту симметрию нарушает: если «пустить время назад», движение зарядов, создающих поле, изменится на обратное, и поле перевернётся. Поэтому если в материале само собой, без внешнего магнита, появляется собственное магнитное поле, говорят, что он нарушает симметрию времени.
Как это увидели
Исследователи вырастили кристаллы YbSb₂. Материал становится сверхпроводником примерно при 0,95 кельвина — меньше чем на градус выше абсолютного нуля. То, что это сверхпроводник именно первого рода, подтвердили измерения: при 0,1 кельвина сверхпроводимость разрушает поле около 51 гаусса, а при 40 гауссах в образце сосуществуют сверхпроводящие и обычные участки.
Главный инструмент — мюонная спектроскопия. Мюоны — нестабильные частицы, похожие на тяжёлые электроны. Их «вбрасывают» в образец, и спин каждого мюона начинает вращаться в местном магнитном поле. По частицам, которые вылетают при распаде мюона, можно узнать, было ли внутри поле.
Именно это и произошло. Как только YbSb₂ становился сверхпроводником, в нём сами собой появлялись крошечные внутренние магнитные поля. Значит, симметрия времени нарушена.
Почему это интересно
В обычном сверхпроводнике электроны объединяются в пары с противоположно направленными спинами. Нарушение симметрии времени — признак того, что пары устроены иначе. Авторы считают наиболее вероятным необычное «триплетное» спаривание, при котором спины электронов в паре параллельны. Расчёты также допускают, что на поверхности такого материала могут существовать особые состояния — майорановские моды, которые интересны для будущих квантовых компьютеров.
Это пока теоретические предположения, и механизм ещё предстоит проверить. Но сам факт важен: необычная сверхпроводимость может скрываться даже там, где её меньше всего ждали, — в «простом» сверхпроводнике первого рода.
Источники
Наука ближе, когда обсуждаем вместе.
Новые материалы, вопросы и подборки — в нашем Telegram.
