До сих пор сверхпроводящие материалы были двух типов: с s-волнами и d-волнами. Теперь исследователи из Корнелла во главе с Брэдом Рамшоу, доцентом Dick & Dale Reis Johnson в Колледже искусств и наук, открыли возможный третий тип — g-волну. Их статья была опубликована в журнале Nature Physics.

Электроны в сверхпроводниках движутся вместе в так называемых куперовских парах. Это «спаривание» наделяет сверхпроводники их самым известным свойством — отсутствием электрического сопротивления. Для создания сопротивления куперовские пары должны быть разорваны, а это требует энергии.

В s-волновых сверхпроводниках — обычно в таких материалах, таких как свинец, олово и ртуть — куперовские пары состоят из одного электрона, направленного вверх, а другого — вниз, причем оба движутся друг к другу «лицом» без чистого углового момента. В последние десятилетия новый класс экзотических материалов продемонстрировал так называемую d-волновую сверхпроводимость, при которой куперовские пары имеют два кванта углового момента.

Физики выдвинули теорию о существовании третьего типа сверхпроводника между этими двумя так называемыми «синглетными» состояниями: p-волновой сверхпроводник с одним квантом углового момента и спариванием электронов с параллельными, а не антипараллельными спинами. Этот спин-триплетный сверхпроводник станет крупным прорывом в квантовых вычислениях, поскольку его можно использовать для создания майорановских фермионов — уникальной частицы, которая сама по себе является античастицей. На протяжении более 20 лет одним из ведущих кандидатов на роль сверхпроводника с p-волнами был рутенат стронция (Sr₂RuO₄).

Рамшоу и его команда решили раз и навсегда определить, является ли рутенат стронция столь востребованным сверхпроводником с p-волной. Используя резонансную ультразвуковую спектроскопию высокого разрешения, они обнаружили, что этот материал потенциально является совершенно новым типом сверхпроводника: g-волной.

Как и в предыдущих проектах, Рамшоу и Гош использовали резонансную ультразвуковую спектроскопию для изучения свойств симметрии сверхпроводимости в кристалле рутената стронция, который был выращен сотрудниками из Института химической физики твердого тела Макса Планка в Германии. Однако, в отличие от предыдущих попыток, Рамшоу и Гош столкнулись с серьезной проблемой при проведении эксперимента.

«Охладить резонансный ультразвук до 1 кельвина (минус –272,15 по Цельсию) сложно, и для этого нам пришлось построить совершенно новый аппарат», — объясняет Гош.

С помощью новой установки команда Корнелла измерила реакцию упругих констант кристалла — по сути, скорость звука в материале — на различные звуковые волны, когда материал охлаждается за счет сверхпроводящего перехода до 1,4 кельвина (-271,75 °C).

«Это, безусловно, самые точные данные резонансной ультразвуковой спектроскопии, когда-либо полученные при таких низких температурах», — заявил Рэмшоу.

Основываясь на данных, ученые определили, что рутенат стронция — это то, что как раз называют двухкомпонентным сверхпроводником. Это значит, что способ связывания электронов настолько сложен, что его нельзя описать одним числом; ему тоже нужно направление.

В предыдущих исследованиях использовалась спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР), чтобы сузить возможности того, каким волновым материалом может быть рутенат стронция, эффективно исключив p-волну как вариант. Определив, что материал был двухкомпонентным, команда Рамшоу не только подтвердила эти выводы, но также показала, что рутенат стронция не является обычным s- или d-волновым сверхпроводником.

Теперь исследователи могут использовать эту технику для изучения других материалов, чтобы выяснить, являются ли они потенциальными кандидатами на p-волну.