Изучая свойства твердого конденсата Бозе – Эйнштейна – экзотической формы материи, которая ведет себя как один гигантский атом, – физики открыли новую форму низкотемпературной сверхпроводимости. Результаты их исследования опубликовал научный журнал Science Advances.
"До недавнего времени о том, что конденсат Бозе – Эйнштейна может обладать сверхпроводящими свойствами, предполагали только теоретики. Мы впервые доказали это в нашей лаборатории с помощью нового материала на основе железа и селена", – прокомментировал открытие один из его авторов, доцент Токийского университета Козо Оказаки.
Конденсат Бозе – Эйнштейна – это экзотическая квантовая форма материи, которая похожа на газ и жидкость и состоит из множества атомов, охлажденных почти до абсолютного нуля. Это облако частиц ведет себя как один гигантский атом, подчиняясь законам квантовой физики. Благодаря этому ученые могут легко манипулировать свойствами подобных искусственных атомов и использовать их в качестве кубитов – ячеек памяти квантовых компьютеров – и прототипа сверхпроводников.
Классическая теория сверхпроводимости, которую в середине прошлого века сформулировали Джон Бардин, Леон Купер и Джон Шриффер, указывает, что конденсат Бозе – Эйштейна может быть сверхпроводником. Однако проверить эту гипотезу сложно из-за того, что обычно конденсат находится в газообразной форме, поэтому ученые не могли измерить ее сопротивление и другие свойства, связанные со сверхпроводимостью.
Оказаки и его коллеги решили эту проблему. Они изучали свойства разных форм классических сверхпроводников, которые состоят из смешанных в разных пропорциях атомов железа, серы и селена. Меняя количество серы и селена, физики изучали, как в материале менялся характер движения электронов при охлаждении до температуры, близкой к переходу в сверхпроводящее состояние.
Во время этих опытов ученые наткнулись на любопытный эффект, который возникал только в том случае, когда на каждый атом серы и внутри сверхпроводника приходилось примерно по четыре атома селена и пять атомов железа. В таком случае при охлаждении этого материала до близких к абсолютному нулю температур электроны внутри сверхпроводника начинали вести себя совсем не так, как это предсказывает теория Бардина, Купера и Шриффера.
Это начинало появляться уже при охлаждении примерно до 15 кельвинов (–258 °С), несмотря на то, что это соединение серы, железа и селена переходит в сверхпроводящее состояние только при четырех кельвинах (–269 °С).
Детально изучив свойства электронов, ученые пришли к выводу, что причиной этих аномалий стал частичный переход этого материала в состояние, эквивалентное тому, в котором находятся классические газообразные формы конденсата Бозе – Эйштейна. При этом, однако, такой материал проявлял и некоторые свойства классических сверхпроводников, некоторые из которых не предсказывают существующие теории.
"Создание первого сверхпроводящего конденсата Бозе – Эйнштейна было лишь средством для решения нашей главной задачи – изучения того, насколько пересекаются оба этих состояния. Решить ее было крайне сложно, но наши инструменты и методики наблюдений помогли доказать, что между этими режимами сверхпроводимости существует плавный переход. Это, в свою очередь, говорит о существовании более общей теории сверхпроводимости, что сделало нашу область физики еще более интересной", – подытожил Оказаки.