Физики впервые обнаружили вещество, в котором при переходе в сверхпроводящее состояние возникает магнитное поле, при этом соединение — дителлурид урана UTe2 — не обладает магнитным порядком вне сверхпроводящей фазы, что делает его исключительным. Вещество с такими свойствами может оказаться исключительно востребованным в области квантовых компьютеров, пишут авторы в журнале Science.
Сверхпроводимость — это макроскопическое квантовое явление, которое заключается в фазовом переходе некоторых веществ при низких температурах в новое состояние с нулевым электрическим сопротивлением. Существует несколько разных типов сверхпроводников. Простейшими из них являются некоторые чистые металлы, свойства которых меняются вблизи абсолютного нуля, и их поведение хорошо описывается теорией Бардина—Купера—Шриффера (БКШ).
Существует обширная и неоднородная группа нетипичных сверхпроводников, для которых полноценного теоретического описания пока не предложено. Исследование этих веществ относится к одной из основных и самых активных областей физики конденсированного состояния, так как большинство сверхпроводников с рекордно высокими критическими температурами являются именно нетипичными. Отсутствие всеобъемлющей теории не позволяет систематически искать вещества со все лучшими параметрами, приближаясь к крайне желаемому в технологическом смысле сверхпроводнику с критической температурой выше нуля градусов по Цельсию при обычном давлении.
Одним из наиболее необычных сверхпроводников являются ферромагнитные сверхпроводники, для которых свойственно сосуществование этого квантового состояния и собственного магнитного поля. Такая комбинация вызывает интерес, так как в обычной ситуации вещества в таком состоянии выталкивают магнитное поле из собственного объема, оно мешает появлению сверхпроводимости и полностью препятствует ее возникновению выше критического значения. Еще одной особенностью является то, что все известные ферромагнитные сверхпроводники — это соединения урана, такие как UGe2, URhGe и UCoGe.
Как и во многих других "нетрадиционных" случаях, общая теория ферромагнитной сверхпроводимости пока не создана. Физики пытались по-разному описать это явление, но в последнее время наибольшее развитие получила гипотеза триплетной сверхпроводимости.
Считается, что любая сверхпроводимость связана со способностью групп электронов объединяться, что позволяет им терять фермионную сущность и приобретать свойства бозонов. В результате на них перестает действовать принцип запрета Паули, и они все могут занять наинизшее энергетическое состояние, в котором перемещаются без рассеяния на кристаллической решетке. В обычных сверхпроводниках, описываемых теорией БКШ, электроны с противоположными спинами объединяются по двое, то есть формируют куперовские пары, которые являются бозонами с нулевым спином — синглетом. Триплетная сверхпроводимость предполагает, что возможно спаривание электронов с однонаправленными спинами, что порождает три возможных собственных состояния со спином равным единице.
В статье под руководством Николаса Буча (Nicholas Butch) из Национального института стандартов и технологий США и его американских коллег описаны свойства нового соединения урана, в котором подозревают сверхпроводимость по триплетному механизму, — дителлурида урана UTe2. Как и другие ферромагнитные сверхпроводники, UTe2 исключительно устойчив к магнитному полю и выходит из квантового состояния только при полях свыше 40 тесла (примерно в миллион раз мощнее поля Земли), в то время как для чистых веществ критическое поле, как правило, не выше одного тесла и только для сложных соединений из класса YBCO требуются более сильные поля.
Однако UTe2 уникален сразу по нескольким параметрам: для него характерна существенно более высокая критическая температура, чем у других ферромагнитных сверхпроводников (1,6 кельвина против не более 0,8), и, что более важно, в обычном состоянии он является парамагнетиком, а не ферромагнетиком как все другие. Получается, что это вещество в норме не обладает собственной намагниченностью, в нем только может возникать наведенная в присутствии внешнего поля, но в сверхпроводящем состоянии у него появляется собственное поле, которое как правило несовместимо с данным квантовым состоянием.
Авторы считают, что UTe2 демонстрирует подходящие свойства для построения некоторых типов квантовых компьютеров. В частности, способность сохранять сверхпроводящее состоянии в присутствии внешнего магнитного поля должно обеспечивать устойчивость к ошибкам в случае использования UTe2 в качестве материала для сверхпроводящих кубитов.
Недавно физики увидели топологическую сверхпроводимость в материале на основе железа и нашли в новом сверхпроводнике на основе селенида висмута необычный магнитный эффект. Отдельный интерес в контексте сверхпроводимости представляет графен — например оказалось, что квантовым состоянием сверхрешетки из трехслойного графена можно управлять.
Тимур Кешелава