Физики раскрыли тайну «сверхпроводящего гало» в урановом соединении

Трехмерная визуализация границ фаз в зависимости от угла и силы магнитного поля. Синие точки обозначают переходы в сверхпроводящее состояние, красные — метамагнитный переход. Синяя затенённая область — сверхпроводящая фаза (иллюстрация: Science, 2025. DOI: 10.1126/science.adn7673).

Международная группа учёных, включая теоретического физика Андрея Невидомского из Университета Райса, раскрыла механизм необычной формы сверхпроводимости, которая возникает только под воздействием сильных магнитных полей. Их исследование, опубликованное в журнале Science, объясняет, как соединение урана и теллура (UTe₂) образует «сверхпроводящее гало» в экстремальных условиях.

Обычно магнитные поля разрушают сверхпроводимость, но UTe₂ опроверг эти ожидания в 2019 году, сохраняя свойства даже при полях в сотни раз сильнее критического порога для обычных материалов.

«Когда я впервые увидел экспериментальные данные, я был потрясён», — признался Невидомский, сотрудник Института перспективных материалов Райса. «Сверхпроводимость сначала подавлялась полем, как и ожидалось, но затем возрождалась при ещё более высоких значениях — и только для узкого диапазона направлений. Это требовало объяснения».

«Воскрешение» сверхпроводимости

Феномен, открытый учёными из Университета Мэриленда и Национального института стандартов и технологий (NIST), получил название «фаза Лазаря»: после исчезновения при 10 Тесла сверхпроводимость неожиданно восстанавливалась при 40 Тесла и выше.

Исследователи выяснили, что этот эффект зависит от угла между магнитным полем и кристаллической решёткой. Точные измерения показали, что сверхпроводящая фаза образует тороидальное «гало» вокруг определённой оси кристалла.

«Мы обнаружили трёхмерное сверхпроводящее гало, обволакивающее жёсткую b-ось кристалла», — пояснила Сильвия Левин из NIST, соавтор работы. «Это был удивительный и элегантный результат».

Теория, объясняющая гало

Невидомский разработал теоретическую модель, которая объясняет данные без спорных микроскопических допущений. Его подход учитывает, что куперовские пары (носители сверхпроводимости) обладают собственным моментом импульса, подобно волчку в классической физике.

Модель успешно воспроизвела экспериментальные данные, включая угловую зависимость «гало», и показала, как ориентация поля влияет на сверхпроводимость в UTe₂.

Перспективы для науки

Исследование углубляет понимание взаимодействия магнетизма и сверхпроводимости в анизотропных материалах. Особый интерес представляет метамагнитный переход — резкий скачок намагниченности, после которого и возникает высокополевая сверхпроводимость.

«Природа «склеивающего» механизма в этом материале пока не ясна, но знание о магнитном моменте куперовских пар — ключевой результат», — отметил Невидомский.

Подробнее: Sylvia K. Lewin et al, High-field superconducting halo in UTe₂, Science (2025). DOI: 10.1126/science.adn7673