Теперь исследователи из Корнелла во главе с Брэдом Рамшоу, доцентом Дика и Дейла Рейса Джонсонов в Колледже искусств и наук, открыли возможный третий тип: g-волна.
Их статья «Термодинамические доказательства параметра двухкомпонентного сверхпроводящего порядка в Sr2RuO4» опубликована в сентябре. 21 по физике природы. Ведущий автор – докторант Саяк Гош, М.S. ’19.
Электроны в сверхпроводниках движутся вместе в так называемых куперовских парах. Это «спаривание» наделяет сверхпроводники их самым известным свойством – отсутствием электрического сопротивления – потому что, чтобы создать сопротивление, куперовские пары должны быть разорваны, а для этого требуется энергия.
В s-волновых сверхпроводниках – обычно обычных материалах, таких как свинец, олово и ртуть, – куперовские пары состоят из одного электрона, направленного вверх, а другого – вниз, причем оба движутся друг к другу лицом друг к другу без чистого углового момента.
В последние десятилетия новый класс экзотических материалов продемонстрировал так называемую d-волновую сверхпроводимость, при которой куперовские пары имеют два кванта углового момента.
Физики предположили существование третьего типа сверхпроводника между этими двумя так называемыми «синглетными» состояниями: p-волновой сверхпроводник с одним квантом углового момента и пары электронов с параллельными, а не антипараллельными спинами.
Этот спин-триплетный сверхпроводник стал бы крупным прорывом для квантовых вычислений, потому что его можно использовать для создания майорановских фермионов, уникальной частицы, которая сама по себе является античастицей.
На протяжении более 20 лет одним из ведущих кандидатов на роль сверхпроводника p-волны был рутенат стронция (Sr2RuO4), хотя недавние исследования начали пробивать дыры в этой идее.
Рамшоу и его команда решили раз и навсегда определить, является ли рутенат стронция желанным сверхпроводником на p-волнах.
Используя резонансную ультразвуковую спектроскопию высокого разрешения, они обнаружили, что этот материал потенциально является совершенно новым типом сверхпроводника: g-волна.
«Этот эксперимент действительно показывает возможность этого нового типа сверхпроводника, о котором мы никогда раньше не думали», – сказал Рамшоу. "Это действительно открывает пространство возможностей того, чем может быть сверхпроводник и как он может проявлять себя. Если мы когда-либо собираемся справиться с управлением сверхпроводниками и использовать их в технологиях с таким тонко настроенным управлением, которое мы имеем с полупроводниками, мы действительно хотим знать, как они работают, и какие разновидности и вкусы они бывают."
Как и в предыдущих проектах, Рамшоу и Гош использовали резонансную ультразвуковую спектроскопию для изучения свойств симметрии сверхпроводимости в кристалле рутената стронция, который был выращен и прецизионно вырезан сотрудниками из Института химической физики твердого тела Макса Планка в Германии.
Однако, в отличие от предыдущих попыток, Рамшоу и Гош столкнулись с серьезной проблемой при проведении эксперимента.
«Охлаждение резонансного ультразвука до 1 кельвина (минус 457.87 градусов по Фаренгейту) сложно, и нам пришлось построить совершенно новый аппарат, чтобы достичь этого », – сказал Гош.
С помощью своей новой установки команда Корнелла измерила отклик упругих постоянных кристалла – по сути, скорость звука в материале – на различные звуковые волны, когда материал охлаждается за счет сверхпроводящего перехода на 1.4 кельвина (минус 457 градусов по Фаренгейту).
«Это, безусловно, самые точные данные резонансной ультразвуковой спектроскопии, когда-либо полученные при таких низких температурах», – сказал Рамшоу.
Основываясь на данных, они определили, что рутенат стронция – это так называемый двухкомпонентный сверхпроводник, а это означает, что способ связывания электронов настолько сложен, что его нельзя описать одним числом; ему тоже нужно направление.
В предыдущих исследованиях использовалась спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР), чтобы сузить возможности того, каким волновым материалом может быть рутенат стронция, эффективно исключив p-волну в качестве опции.
Определив, что материал был двухкомпонентным, команда Рамшоу не только подтвердила эти выводы, но и показала, что рутенат стронция не является обычным s- или d-волновым сверхпроводником.
«Резонансный ультразвук действительно позволяет вам войти, и даже если вы не можете идентифицировать все микроскопические детали, вы можете сделать общие заявления о том, какие из них исключены», – сказал Рэмшоу. "Итак, единственное, с чем согласуются эксперименты, – это очень, очень странные вещи, которых никто никогда раньше не видел. Одна из них – g-волна, что означает угловой момент 4. Никто никогда даже не думал, что появится сверхпроводник с g-волной."
Теперь исследователи могут использовать эту технику для изучения других материалов, чтобы выяснить, являются ли они потенциальными кандидатами на p-волну.
Однако работа над рутенатом стронция не закончена.
«Этот материал чрезвычайно хорошо изучен во многих различных контекстах, не только из-за его сверхпроводимости», – сказал Рамшоу. «Мы понимаем, что это за металл, почему это металл, как он ведет себя при изменении температуры, как ведет себя при изменении магнитного поля. Таким образом, вы должны быть в состоянии построить теорию, объясняющую, почему здесь он становится сверхпроводником лучше, чем где-либо еще."