Учёные из Института науки и технологий Австрии (ISTA) наконец-то объяснили одну из самых странных загадок современной физики. Речь о сверхпроводнике на основе урана — уранил дителлуриде (UTe₂). Этот материал ведёт себя так, будто нарушает фундаментальные законы квантовой механики: под действием очень сильных магнитных полей он сначала теряет сверхпроводимость, а потом неожиданно возвращает нулевое сопротивление. Теперь стало понятно, почему это происходит.
UTe₂ относится к классу так называемых тяжёлых фермионных сверхпроводников и считается одним из самых перспективных кандидатов на роль спин-триплетного сверхпроводника. Обычные сверхпроводники мгновенно погибают под действием магнитного поля. UTe₂ же сначала «умирает» уже при 10 тесла (это в три с лишним раза сильнее поля в обычном МРТ-томографе), но при полях от 40 до 70 тесла вдруг оживает и снова проводит ток без сопротивления.
Скрытый «клей» для электронов
Кимберли Модик (Kimberly Modic), доцент ISTA, объясняет, что долгое время никто не мог понять, как такое возможно: материал немагнитный, а значит, классические механизмы не работают. Команда решила посмотреть, что происходит с UTe₂ до появления реэнтрантной сверхпроводимости. Для этого они разработали уникальный эксперимент: образец размером меньше крупинки соли помещали на специальную «палочку-кантилевер» и заставляли его быстро вибрировать внутри импульсного магнитного поля до 60 тесла.
«Мы буквально встряхивали кристалл, — рассказывает ведущий автор исследования, аспирантка Валеска Замбра (Valeska Zambra). — С точки зрения материала это выглядело так, будто направление магнитного поля постоянно колеблется. Это позволило нам измерить поперечную магнитную восприимчивость в условиях, которые раньше были недоступны».
Результат оказался ошеломляющим: учёные обнаружили область очень высокой поперечной магнитной восприимчивости, которая и выступает «клеем», связывающим электроны в куперовские пары даже при экстремально сильных полях. Именно это и объясняет загадочное «воскрешение» сверхпроводимости.
Новый инструмент для изучения квантовых материалов
Методика, разработанная в ISTA, уже заинтересовала ведущие высокопольные лаборатории мира. Она позволяет работать с крошечными, почти идеальными образцами и получать данные, которые раньше были недостижимы. «Измерять образцы толщиной с человеческий волос — это отдельное искусство, и наша группа в нём преуспела», — отмечает Кимберли Модик.
По словам учёных, UTe₂ настолько необычен, что слово «нетрадиционный» по отношению к нему звучит как явное преуменьшение. Открытие не только раскрывает механизм сверхпроводимости в этом конкретном материале, но и даёт новый мощный инструмент для изучения других экзотических квантовых состояний.
Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.
