Ученые впервые засняли загадочный «танец» квантовых пар внутри сверхпроводников

Впервые исследователи визуализировали поведение пар электронов в сверхпроводнике. Источник: Lucy Reading-Ikkanda/Simons Foundation

Ученые впервые напрямую зафиксировали квантовое поведение, лежащее в основе сверхпроводимости — состояния, при котором спаренные электроны позволяют электричеству течь без сопротивления при сверхнизких температурах. Результаты наблюдений оказались неожиданными.

В исследовании, опубликованном 15 апреля в журнале Physical Review Letters, команда получила изображения отдельных атомов, образующих пары внутри специально подготовленного газа, охлажденного почти до абсолютного нуля. Эта система, известная как ферми-газ, позволяет ученым заменить электроны атомами для изучения сверхпроводимости в высококонтролируемой среде.

Неожиданный квантовый «танец» между спаренными частицами

После объединения атомов в пары исследователи заметили необычное явление. Пары не вели себя независимо. Вместо этого они двигались согласованно, причем положение каждой пары зависело от соседних пар. Такое поведение не предсказывалось 70-летней Нобелевской теорией сверхпроводимости.

«Наш эксперимент показал, что в этой теории качественно чего-то не хватает», — говорит руководитель экспериментальных исследований Тарик Йефса из Лаборатории Кастлера-Бросселя при Национальном центре научных исследований Франции (CNRS) в Париже. Йефса и другие физики-экспериментаторы из CNRS работали над новым исследованием совместно с физиками-теоретиками, включая Шивэя Чжана из Института Флэтайрон Фонда Саймонса.

Это открытие добавляет важный фрагмент в пазл понимания сверхпроводимости и может помочь в создании комнатно-температурных сверхпроводников — давней цели, способной кардинально повысить энергоэффективность электросетей и электроники.

Что такое сверхпроводимость и почему это важно

Сверхпроводимость обычно проявляется в некоторых металлах при охлаждении до экстремально низких температур. Когда материал опускается ниже критической температуры, его электрическое сопротивление внезапно исчезает. Это происходит потому, что электроны образуют пары, движущиеся синхронно.

Это явление впервые объяснили в 1950-х годах физики Джон Бардин, Леон Купер и Джон Роберт Шриффер.

Ограничения классической теории БКШ

Однако теория БКШ (названная по первым буквам фамилий создателей) дает лишь приблизительное описание. Она не может полностью объяснить все типы сверхпроводников или охватить все аспекты поведения. Ученые давно подозревали, что теория упускает ключевые детали, но эти пробелы оставались неясными.

«Теория БКШ говорит нам, что сверхпроводимость возникает из-за склонности электронов к спариванию, — объясняет Чжан, старший научный сотрудник и руководитель группы в Центре вычислительной квантовой физики (CCQ) Института Флэтайрон. — Но это грубая теория, и она ничего не говорит о том, как пары взаимодействуют». Согласно теории БКШ, эти пары действуют независимо, то есть их положения не должны зависеть друг от друга.

Новый метод визуализации показывает взаимодействующие пары

Чтобы исследовать этот недостающий элемент, физики-экспериментаторы из CNRS в тесном сотрудничестве с теоретиками из CCQ изучили, как эти пары могут влиять друг на друга.

Используя новую технику визуализации, команда получила детальные снимки положений спаренных атомов. Они работали с газом из атомов лития, охлажденным до температуры всего на несколько миллиардных долей градуса Цельсия выше абсолютного нуля. При таких экстремальных температурах атомы ведут себя как фермионы — та же категория частиц, что и электроны, что делает их идеальными заменителями для изучения сверхпроводимости.

Изображения показали, что спаренные атомы были распределены не случайным образом. Их положения были связаны: каждая пара сохраняла определенное расстояние от других, подобно парам на танцполе, избегающим столкновений. Это поведение выявляет дополнительный уровень организации, не учитываемый в традиционной теории БКШ.

Новый взгляд внутрь квантового «танцпола»

«Теория БКШ дает нам вид снаружи танцпола: мы слышим музыку и видим, как выходят танцоры, но не знаем, что происходит на самом танцполе, — говорит Йефса. — Наш подход похож на установку широкоугольной камеры внутри танцпола. Теперь мы видим, как танцоры образуют пары и следят друг за другом, чтобы не столкнуться».

Для проверки результатов Чжан и его бывший постдокторант из CCQ, Юань-Яо Хэ из Института современной физики Северо-Западного университета в Китае, провели детальные квантовые симуляции той же системы. Симуляции совпали с экспериментальными данными и подтвердили вновь обнаруженное поведение, включая расстояние между спаренными «танцорами».

Значение для будущих сверхпроводников

Эти результаты углубляют понимание учеными сверхпроводников и других квантовых материалов, состоящих из фермионов. Подобные идеи необходимы для создания материалов, способных к сверхпроводимости при более высоких температурах.

В 1980-х годах исследователи открыли класс материалов, известных как высокотемпературные сверхпроводники, которые работают при температурах около температуры жидкого азота (минус 196 градусов Цельсия). Тем не менее, ученые до сих пор не до конца понимают, почему эти материалы работают при относительно более высоких температурах.

Улучшая фундаментальное понимание сверхпроводимости, исследователи надеются в конечном итоге разработать материалы, функционирующие при обычных температурах, что может преобразить технологии передачи энергии и вычислений.

«Понимая этот простой случай, мы можем отточить наши инструменты для изучения более сложных систем, — говорит Чжан. — А в более сложных системах мы ищем новые фазы материи, которые в прошлом приводили ко многим технологическим прорывам».

Источники:

Материалы предоставлены Фондом Саймонса.

Cyprien Daix, Maxime Dixmerias, Yuan-Yao He, Joris Verstraten, Tim de Jongh, Bruno Peaudecerf, Shiwei Zhang, Tarik Yefsah. Observing Spatial Charge and Spin Correlations in a Strongly Interacting Fermi Gas. Physical Review Letters, 2026; 136 (15) DOI: 10.1103/2t2k-3ftx