Обнаружена скрытая магнитная структура, связанная с псевдощелью в высокотемпературных сверхпроводниках

Учёные обнаружили скрытые магнитные паттерны внутри псевдощели — странного квантового состояния, возникающего перед началом сверхпроводимости. Источник: Shutterstock

Физики обнаружили неожиданную связь между магнетизмом и псевдощелью — загадочной фазой вещества, которая возникает в некоторых квантовых материалах непосредственно перед переходом в сверхпроводящее состояние. Это открытие может помочь в создании новых материалов с ценными свойствами, включая высокотемпературную сверхпроводимость, при которой электричество передаётся без потерь энергии.

Открытие было сделано в ходе экспериментов на квантовом симуляторе, охлаждённом до температур, близких к абсолютному нулю. По мере охлаждения системы исследователи наблюдали устойчивую закономерность во влиянии электронов на магнитную ориентацию соседних электронов. Поскольку электроны могут иметь спин «вверх» или «вниз», эти взаимодействия формируют общее поведение материала. Работа представляет собой важный шаг к объяснению нетрадиционной сверхпроводимости и стала возможной благодаря сотрудничеству экспериментаторов из Института квантовой оптики Общества Макса Планка в Германии и теоретиков, включая Антуана Жоржа, директора Центра вычислительной квантовой физики Фонда Саймонса в Нью-Йорке.

Международная команда отчиталась о своих выводах в журнале «Proceedings of the National Academy of Sciences».

Во многих высокотемпературных сверхпроводниках сверхпроводящее состояние возникает не напрямую из обычной металлической фазы, а через промежуточную стадию, известную как псевдощель. В этой фазе электроны ведут себя необычно, и для протекания тока доступно меньше электронных состояний. Понимание псевдощели считается ключевым для раскрытия механизмов сверхпроводимости.

Когда в материале содержится нормальное количество электронов, они стремятся организоваться в упорядоченную магнитную структуру — антиферромагнетизм. Этот порядок нарушается при удалении электронов (легировании). Долгое время считалось, что легирование полностью уничтожает дальний магнитный порядок. Новое исследование опровергает это, показывая, что при сверхнизких температурах тонкая форма организации сохраняется под видимым беспорядком.

Для изучения этого поведения команда использовала модель Ферми-Хаббарда, воссоздав её с помощью атомов лития, охлаждённых до миллиардных долей градуса выше абсолютного нуля и размещённых в оптической решётке из лазерных лучей. Используя квантовый газовый микроскоп, способный визуализировать отдельные атомы и определять их магнитную ориентацию, учёные собрали более 35 000 детальных снимков.

Данные выявили поразительный результат.

«Магнитные корреляции следуют единому универсальному паттерну, если построить их график против определённой температурной шкалы, — объясняет ведущий автор Томас Шалопен из Института квантовой оптики Общества Макса Планка. — И эта шкала сравнима с температурой псевдощели, точкой, в которой псевдощель возникает».

Исследование также показало, что взаимодействия электронов в этом режиме сложнее простых парных связей. Электроны формируют более крупные, многозарядные коррелированные структуры. Даже один легирующий атом может нарушить магнитный порядок на удивительно большой площади.

«Аналоговые квантовые симуляторы вступают в новую и захватывающую стадию, которая бросает вызов классическим алгоритмам, которые мы разрабатываем в Центре вычислительной квантовой физики, — говорит Антуан Жорж. — В то же время этим экспериментам требуется руководство со стороны теории и классического моделирования. Сотрудничество между теоретиками и экспериментаторами как никогда важно».