Сверхпроводимость и магнетизм — свойства вещества, возникающие из-за особенностей поведения электронов в материале. Объект будет магнитом, если у него есть собственное магнитное поле, образующееся из-за примерно одинаковых спинов электронов в веществе. Сверхпроводник определяют как вещество, в котором электроны могут двигаться без трения, например, объединяясь в куперовские пары.
Долгие годы ученые считали, что магнетизм и сверхпроводимость не могут сосуществовать в одном материале: магнитное поле может разрывать связи между куперовскими парами, есть эффект Мейснера — при переходе в сверхпроводящее состояние проводник полностью вытесняет из себя магнитное поле или «пускает» его внутрь в особом виде — как вихри Абрикосова.
Но в начале 2025 года две исследовательские группы опубликовали статьи о материалах, в которых одновременно регистрируются и сверхпроводимость, и магнетизм. Первым оказался ромбоэдрический графен (состоящий из четырех или пяти слоев графена), вторым — дителлурид молибдена (MoTe₂). В обоих случаях использованные образцы настолько тонкие, что ученые считают их двумерными.
Исследователи предположили, что совместить сверхпроводимость и магнетизм могут квазичастицы — энионы. Их существование предсказали в 1980-х, а во время разработки теоретического описания поведения энионов ученые выдвинули теорию, что в присутствии магнетизма квазичастицы должны иметь возможность проявлять сверхпроводимость.
Теперь, когда ученые такие материалы нашли, потребовалось описание происходящих в этих материалах процессов. Команда физиков из Массачусетского технологического института в США смогла его предложить. Статья об этом опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Ученые уже знали, что для дителлурида молибдена интересующее их состояние вещества сопровождалось дробным квантовым эффектом Холла, при котором электроны в материале дробились на энионы.
«Когда в системе есть энионы, происходит следующее: каждый энион может пытаться двигаться, но его движение „фрустрировано“ присутствием других энионов. Эта „фрустрация“ возникает, даже если энионы находятся чрезвычайно далеко друг от друга. И это чисто квантовомеханический эффект», — рассказал первый автор статьи Сентил Тодадри (Senthil Todadri).
Физикам пришлось искать условия, при которых энионы могли бы вырваться из этого состояния «фрустрации» и двигаться как единый макроскопический поток.
Исследователи смоделировали условия возникновения этого эффекта в MoTe₂ и проследили за преобразованиями электронов. Если энионы в основном несли заряд в ⅓ заряда электрона, то система оказывалась «фрустрирована» и показывала металлическую проводимость. А если большинство энионов обладали ⅔ заряда электрона, материал должен проявлять сверхпроводящие свойства. Ученые сообщили, что это совершенно другой механизм образования сверхпроводника — относительно куперовских пар.
В статье физики рассказали, что сверхпроводящие энионы возникают при определенной электронной плотности, а при их первом появлении в случайных местах материала спонтанно возникают вихри сверхпроводящего тока с новыми для учеными паттернами. Такое поведение отличается от обычных сверхпроводников, и именно его экспериментаторы смогут искать для подтверждения опубликованных расчетов.
«Если наше объяснение через энионы верно для MoTe₂, это открывает дверь для изучения нового вида квантовой материи, которую можно назвать энионной квантовой материей. Это станет новой главой в квантовой физике. Но потребуется еще множество экспериментов, прежде чем можно будет говорить о подтверждении нашей теории», — подытожил Тодадри.