27 октября 2021

Физики получили совершенно новое состояние материи, заставив объединиться четыре свободных электрона

Около 20 лет назад учеными-физиками была предсказана возможность существования так называемых электронных квадруплетов, четырех свободных электронов, объединившихся в одну квазичастицу. И только совсем недавно ученым удалось получить доказательства существования электронных квадруплетов в одной из экспериментальных установок. Существование таких квазичастиц определяет собой совершенно новое состояние материи, которое открывает новые области в физике и новые возможности в практическом применении этого явления.

Обнаруженное учеными явление электронных квадруплетов чем-то родственно явлению образования и существования пар электронов, Куперовских пар, в определенных металлических материалах, обладающих свойством сверхпроводимости. Поэтому в своих экспериментах ученые из Королевского технологического института KTH (Швеция0 создали такие условия, которые препятствовали электронам объединяться в пары и течь по материалу, не встречая сопротивления.

"Раньше мы даже не были уверены в возможности создания таких условий"

- рассказывает Егор Бабаев, теоретический физик из KTH, сделавший в 2004 году прогноз о возможности существования нового состояния вещества, - "Теперь же, после первого обнаружения нам потребуется много лет исследований, прежде чем мы полностью поймем всю физику нового состояния и найдем пути для его практического применения".

Бабаев и его коллеги в своих экспериментах использовали один из самых странных сверхпроводящих материалов - Ba1-xKxFe2As2. Эксперименты проводились при различных температурах и при воздействии различных внешних факторов, таких, как электрические и магнитные поля. Но во всех случаях производились измерения электрического сопротивления материала.

Проводя эксперименты, ученые обнаружили, что в среде сверхпроводящего материала наблюдается нарушение обратно-временной симметрии, физического понятия, описываемого формулами, в которых фигурируют отрицательные значения моментов времени и временных промежутков.

"В данном случае наличие конденсата с четырьмя фермионами [электронами] вызывает это нарушение симметрии" - рассказывает Егор Бабаев, - "И это нарушение симметрии, в свою очередь, приводит к появлению нового состояния материи".

Новое состояние материи уже получило название биквадратной металлической фазы с BTRS (broken time-reversal symmetry). И тот факт, что ученым известно достаточное количество материалов-сверхпроводников, которые с теоретической точки зрения должны обладать стабильностью, но на практике не обладают, говорит о том, что подобные виды альтернативного состояния материи могут быть не такими уж и редкими.

"Наши эксперименты стали источником очень большого количества новых вопросов" - рассказывает Егор Бабаев, - "Материалы с BTRS демонстрируют множество необычных свойств, связанных с реакцией на температурные градиенты, воздействие магнитных полей и ультразвука. А когда мы найдем объяснение всему происходящему, мы сразу же получим возможность использования нового состояния материи в практических целях".