Физики из Иллинойского университета в Урбане-Шампейне использовали микроскопические методы высокого разрешения, чтобы увидеть внутреннюю структуру нового сверхпроводника — дителлурида урана UTe₂. Измерения показали наличие в этом материале экзотической квазичастицы — майорановского фермиона.

Статья исследователей опубликована в журнале Nature.

Такие фермионы были теоретически предсказаны еще в 1937 году итальянским физиком Этторе Майораной, и с тех пор физики пытаются экспериментально доказать их существование. Ученые полагают, что особый класс материалов, называемых хиральными нетрадиционными сверхпроводниками, может иметь такие частицы. Одним из таких перспективных материалов является теллурид урана.

«Мы знаем физику обычных сверхпроводников и понимаем, как они могут проводить электричество или переносить электроны с одного конца провода на другой без сопротивления, — рассказывает одна из исследователей, сотрудница Иллинойского университета Видья Мадхаван. — Хиральные нетрадиционные сверхпроводники встречаются гораздо реже, да и физика их менее известна. Понимание механизма возникновения в них сверхпроводимости имеет важное значение для фундаментальной физики и может быть использовано для создания квантовых вычислений».

Внутри нормального сверхпроводника электроны образуют пары таким образом, что получают возможность проходить по материалу без столкновения с узлами кристаллической решетки и следующих за этим потерь энергии. В этом обычном виде сверхпроводимости магнитные поля могут разбивать возникающие куперовские пары электронов, возвращая материал обратно в нормальное состояние.

Но не так давно исследователи показали, что дителлурид урана отличается от подчиняющихся традиционной теории материалов. В прошлом году физики показали, что это соединение остается сверхпроводником даже при наличии магнитных полей с напряженностью до 65 Тесла — в десять тысяч раз больше, чем у магнита на холодильнике. Это поведение в сочетании с другими измерениями привело авторов новой статьи к предположению, что электроны в дителлуриде урана образовывали пары не так, как обычно, что позволяло им не разрушаться под действием магнитного поля. Образование пар важно, потому что сверхпроводники с этим свойством, очень вероятно, могут иметь на своей поверхности майорановские фермионы.

Авторы новой работы нашли несколько новых аргументов в пользу этой теории. Они использовали сканирующий туннельный микроскоп — прибор, с помощью которого можно получить изображение поверхности материала вплоть до атомного уровня и увидеть, что происходит с электронами. На поверхности такого материала можно найти своего рода «ступеньки» — возвышенности, на которых наиболее вероятно обнаружение неуловимых квазичастиц. Исследователи обнаружили, что, если некоторые из этих ступеней снимать с разных сторон, форма сигналов получается разной и относится друг к другу как зеркальные отражения.

По словам авторов, эту аномалию можно объяснить существованием майорановских фермионов, которые циркулируют в одном направлении. Следующий шаг ученых — сделать измерения, которые подтвердили бы, что материал нарушил симметрию относительно обращения времени. Это означает, что частицы должны были бы двигаться иначе, если бы стрела времени была теоретически обращена вспять. Если это подтвердится, то дителлурид урана будет единственным материалом — кроме сверхтекучего гелия-3, — который доказано является хиральным нетрадиционным сверхпроводником.