Сверхпроводимость «воскресает» в экстремальных магнитных полях

Физики обнаружили и объяснили необычную форму сверхпроводимости, которая проявляется только под воздействием чрезвычайно сильных магнитных полей. Работа, опубликованная в журнале Science, описывает поведение дителлурида урана (UTe₂), который образует характерное сверхпроводящее «гало» в экстремальных условиях.

Обычно магнитные поля разрушают сверхпроводимость. Однако UTe₂, открытый в 2019 году, нарушает это правило, оставаясь сверхпроводящим в полях, в сотни раз более сильных, чем могут выдержать типичные материалы.

«Когда я впервые увидел экспериментальные данные, я был потрясён, — сказал физик из Университета Райса Андрей Невидомский. — Сверхпроводимость сначала подавлялась магнитным полем, как и ожидалось, но затем возрождалась в более сильных полях и только для, казалось бы, узкого направления поля. Не было никакого немедленного объяснения этому загадочному поведению».

Это странное поведение, названное фазой Лазаря, было впервые зафиксировано командами из Университета Мэриленда и Национального института стандартов и технологий (NIST). В UTe₂ сверхпроводимость исчезает ниже 10 Тесла, но неожиданно возвращается при напряжённости поля выше 40 Тесла. Оказалось, что этот эффект сильно зависит от угла между магнитным полем и кристаллической структурой материала.

Совместные измерения показали, что область сверхпроводимости образует тороидальную, похожую на бублик, форму, окружающую определённую ось внутри кристалла.

«Наши измерения выявили трёхмерное сверхпроводящее гало, которое обвивает жёсткую b-ось кристалла, — сказала соавтор исследования Сильвия Левин из NIST. — Это был удивительный и красивый результат».

Чтобы объяснить феномен, Невидомский создал теоретическую модель, которая успешно описывает наблюдения. Модель показывает, что куперовские пары в этом материале ведут себя так, как будто несут угловой момент, подобно вращающемуся объекту. Магнитное поле взаимодействует с этим движением, создавая направленный эффект, который и порождает наблюдаемый узор в виде гало.

«Одним из экспериментальных наблюдений является внезапное увеличение намагниченности образца, что мы называем метамагнитным переходом, — сказал соавтор работы Питер Чайка из NIST. — Сверхпроводимость в сильном поле появляется только после того, как величина поля достигнет этого значения, которое само по себе сильно зависит от угла».

Природа этого метамагнитного перехода и его влияние на сверхпроводимость остаются предметом дискуссий. По словам Невидомского, новая модель должна помочь в будущих исследованиях.