До сих пор история сверхпроводящих материалов представляла собой рассказ о двух типах: s-волна и d-волна. Теперь ученые открыли возможный третий тип: g-волна, пишет eurekalert.org со ссылкой на Nature Physics.

Электроны в сверхпроводниках движутся вместе в так называемых куперовских парах. Это «спаривание» наделяет сверхпроводники их самым известным свойством – отсутствием электрического сопротивления – потому что, чтобы создать сопротивление, куперовские пары должны быть разорваны, а это требует энергии.

В s-волновых сверхпроводниках – обычных материалах, таких как свинец, олово и ртуть – куперовские пары состоят из одного электрона, направленного вверх, а другого – вниз, причем оба движутся друг к другу 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, потому что 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), хотя недавние исследования начали оспаривать эту идею.

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

«Этот эксперимент действительно показывает возможность появления этого нового типа сверхпроводника, о котором мы никогда раньше не думали, – сказал Рамшоу. – Это открывает пространство возможностей для того, чем может быть сверхпроводник и как он может проявлять себя. Если мы когда-нибудь научимся управлять сверхпроводниками и использовать их в технологии с тем же глубоким контролем, который мы имеем с полупроводниками, нам действительно нужно будет знать, как они работают и какие разновидности среди них бывают».

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

«Охладить резонансный ультразвук до 1 кельвина (минус 457,87 градусов по Фаренгейту) сложно, и для этого нам пришлось построить совершенно новый аппарат», – сказал Гош.

С помощью своей 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 (минус 457 градусов по Фаренгейту).

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

Основываясь на этих данных, ученые определили, что рутенат стронция – это то, что называют двухкомпонентным сверхпроводником, а это означает, 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.

«Резонансный ультразвук действительно позволяет вам войти, и даже если вы не можете идентифицировать все микроскопические детали, вы можете сделать общие выводы о том, какие из них исключены, – сказал Рэмшоу. – Итак, единственное, с чем согласуются эксперименты, – это очень, очень странные вещи, которых никто никогда раньше не видел. Одна из них – g-волна, что означает угловой момент 4. Никто никогда даже не думал, что будет сверхпроводник с g-волной».

Теперь исследователи могут использовать эту технику для изучения других материалов, чтобы выяснить, являются ли они потенциальными кандидатами на p-волну. Однако работу над рутенатом стронция нельзя считать законченной.

«Этот материал чрезвычайно хорошо изучен во многих различных контекстах, не только из-за его сверхпроводимости, – сказал Рамшоу. – Мы понимаем, что это за металл, почему это металл, как он ведет себя при изменении температуры, как ведет себя при изменении магнитного поля. Таким образом, на нем вы сможете лучше построить теорию, объясняющую, почему он становится сверхпроводником, чем где-либо еще».