Оказывается, электроны могут формировать в сверхпроводниках не только пары, но и четверки. Феномен, предсказанный в теории почти 20 лет назад, был доказан экспериментально. Команда ученых с опубликовала первые доказательства учетверения фермионов в сверхпроводящем материале на основе железа и бария.

Спаривание электронов является предпосылкой квантового состояния сверхпроводимости, которая используется в квантовых компьютерах и аппаратах МРТ. Два электрона соединяются внутри какого-то материала, а не отталкивают друг друга, как это происходило бы в вакууме. Теория этого процесса была впервые описана Леоном Купером, Джоном Бардином и Джоном Шриффером, получившим за свой труд Нобелевскую премию 1972 года.

Так называемые куперовские пары — это, по сути, противоположности, которые притягиваются. Обычно два электрона, отрицательно заряженные субатомные частицы, отталкивают друг друга. Но при низкой температуре в кристалле они соединяются в пары. Ток электронных пар не подвержен дефектам и помехам, а проводник теряет электрическое сопротивление, становясь новым состоянием вещества: сверхпроводником.

Теоретическая идея конденсатов из четырех фермионов стала общепринятой лишь недавно, пишет Phys.org. Для того чтобы это состояние возникло, должно быть нечто, что помешало бы конденсации пар, но позволило бы образоваться сочетаниям из четырех электронов. Поскольку теория Бардина-Купера-Шриффера не допускает такого поведения, ученые, впервые обнаружившие следы конденсата из четырех фермионов, три года проводили эксперименты в лабораториях различных учреждений, чтобы подтвердить свое открытие.

По словам Егора Бабаева, профессора Королевского технологического института Швеции, ключевое наблюдение, которое сделал он и его коллега Вадим Гриненко из Технического университета Дрездена, в том, что конденсаты из четверки фермионов спонтанно нарушают симметрию относительно обращения времени. Это математическая операция замены выражения для времени на ее отрицательное значение в формулах или уравнениях, чтобы описать событие, в котором время идет назад.

В случае сверхпроводника, если стрела времени направлена в обратную сторону, он все еще будет находиться в состоянии сверхпроводимости. Однако для конденсата из четырех фермионов обращение времени вспять приводит к появлению другого состояния.

«Вероятно, потребуется много лет исследований, чтобы полностью понять это состояние, — сказал Бабаев. — Эти эксперименты подняли ряд новых вопросов и открыли ряд других необычных свойств, связанных с реакцией состояния на тепловые градиенты, магнитные поля и ультразвук, в которых еще предстоит разобраться».