Свръхпроводящите материали отдавна предизвикват огромен интерес сред учените.
Причината е в техните забележителни свойства – най-вече способността им да провеждат електрически ток без никакво съпротивление и без загуба на енергия под формата на топлина. Това открива възможности за коренна промяна в компютърните технологии, електропреносните мрежи и транспорта.
Свръхпроводимостта възниква при изключително ниски температури, когато свободните електрони преминават в квантово състояние с ниска енергия и се свързват по двойки, известни като двойки на Купър. Така те могат да се движат през материала, без да срещат електрическо съпротивление.
Още през 2007 г. учените предсказват съществуването на по-необичайна форма на поведение на електроните, наречена вълна на плътността на Купъровите двойки (pair density wave, PDW). При нея двойките на Купър се подреждат в характерни повтарящи се структури, наподобяващи вълните, които вятърът образува по пясъка.
Свръхпроводимостта изчезва, но квантовите вълни остават
Сега екип, ръководен от учени от Университета на Илинойс в Ърбана-Шампейн, е открил убедителни доказателства за съществуването на такива вълни по повърхността на урановия дителурид. Резултатите от изследването са публикувани в научното списание Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
Още по-любопитно е, че тези структури се запазват дори след като материалът престане да бъде свръхпроводник. Подобно поведение досега не е било убедително наблюдавано.
Откритието хвърля нова светлина върху необичайните квантови състояния на материята. То се вписва в поредица от изследвания, които разкриват все по-сложни форми на взаимодействие между електроните, включително други необичайни проявления на свръхпроводимостта.
„Вълните на плътността на Купъровите двойки са като усмивката на Чеширския котарак“, казва физикът Едуардо Фрадкин от Университета на Илинойс в Ърбана-Шампейн, като прави препратка към героя от „Алиса в Страната на чудесата“.
„Те са следата, която остава, след като самото състояние е изчезнало.
При обикновените свръхпроводници двойките на Купър се образуват с настъпването на фазовия преход към свръхпроводимост. В случая обаче наблюдаваме тези двойки, организирани във вълни на плътността, и над температурата на прехода. Това показва, че те се образуват по-рано, докато материалът все още се намира в друго състояние.“
Редове от телурови атоми. В долния десен ъгъл е показано подреждането на атомите, а в горната част се виждат повтарящите се структури, които учените тълкуват като доказателство за наличието на вълни на плътността на Купъровите двойки. Източник: Zhu et al., PNAS, 2026.
Защо урановият дителурид е толкова необичаен?
Урановият дителурид става свръхпроводник при температури под около 2,1 келвина (приблизително –271 °C).
Материалът е особено интересен за физиците, защото се смята, че принадлежи към рядка група свръхпроводници със спиново-триплетно сдвояване. При тях сдвоените електрони имат и специфична магнитна ориентация, свързана с техния спин.
Учените и преди са откривали признаци за съществуването на вълни на плътността на Купъровите двойки в урановия дителурид. В новото изследване обаче те успяват да проучат явлението много по-подробно благодарение на специално създадени образци с изключително високо качество.
Подобни открития показват колко сложни и разнообразни могат да бъдат взаимодействията между електроните. Друго изследване например разкрива необичайно състояние на материята, при което четири електрона се обединяват – още един пример за изненадите, които крие квантовият свят.
Как учените успяват да открият невидимите структури?
За да изследват материала, физиците използват сканиращ тунелен микроскоп (STM) с векторно магнитно поле. Уредът позволява да се проследи как материалът реагира на магнитни полета с различна сила и посока.
„Едно от най-големите предимства на експеримента беше новоразработената система с векторен магнит. Благодарение на нея можехме да прилагаме магнитни полета в необичайно широк диапазон и в различни направления“, обяснява физикът Чжън Чжу от Университета на Илинойс в Ърбана-Шампейн.
„Като променяхме последователно силата и посоката на магнитното поле, както и температурата, успяхме да проследим развитието на тези вълнови състояния. Така получихме допълнителна увереност, че наблюдаваното поведение е присъщо на самия материал, а не е резултат от външни фактори.“
Учените използват и теоретични модели, за да обяснят наблюдаваното разпределение на електрическия заряд. Оказва се, че характерните структури съществуват както под критичната температура, при която възниква свръхпроводимостта, така и при температури, значително по-високи от нея.
„Благодарение на новите методи за получаване на по-качествени образци успяхме да регистрираме характерни спектрални сигнали. Те се променят при изменение на температурата и магнитното поле точно както предвижда теорията за вълните на плътността на Купъровите двойки“, обяснява физикът Видя Мадхаван от Университета на Илинойс в Ърбана-Шампейн.
„Нещо повече – доказахме, че тези вълнови състояния се запазват дори над температурата, при която свръхпроводимостта изчезва. Това е характерен признак, предсказан от теорията, за който досега липсваха убедителни експериментални доказателства.“
Стъпка към свръхпроводници, които работят при по-високи температури
Резултатите не означават, че урановият дителурид запазва свръхпроводимостта си при по-високи температури. Те обаче дават на учените важна нова информация за поведението на двойките на Купър и показват, че тези двойки могат да съществуват и извън обичайното свръхпроводимо състояние.
Това би могло да помогне на физиците да разберат по-добре механизмите, които стоят в основата на свръхпроводимостта, и да проправи път към създаването на материали, способни да провеждат електричество без съпротивление при по-високи температури.
Ако подобни технологии станат практически приложими, свръхпроводниците биха могли да намерят много по-широко приложение.
Възможностите са особено обещаващи за бъдещата електроника. Учените вече проучват различни начини за пренос на електрически заряд с минимални загуби, включително чрез балистични електрони, които се движат, без да се разсейват при сблъсъци. Макар този процес да се различава от свръхпроводимостта, и двата подхода са важни за развитието на по-ефективни електронни устройства.
Напредък има и в създаването на нови квантови компоненти. Физици например вече са разработили свръхпроводяща верига, смятана дълго време за невъзможна.
Пред учените остава още една загадка
Съществува и друго необичайно електронно състояние, известно като вълна на плътността на заряда (charge density wave, CDW). При него електроните не са разпределени равномерно, а образуват периодично повтарящи се структури.
Да се разбере как тези вълни са свързани с вълните на плътността на Купъровите двойки, ще бъде особено важно за правилното тълкуване на бъдещите експерименти.
„Изследването на вълните на плътността на Купъровите двойки в реални материали е сложно, защото при едни експерименти те се държат като обикновени свръхпроводници, а при други наподобяват вълните на плътността на заряда“, обяснява физикът Джулиан Мей-Ман от Станфордския университет.
„За да потвърдим, че действително наблюдаваме вълна на плътността на Купъровите двойки, са ни необходими не само висококачествени експериментални данни, но и задълбочен теоретичен анализ.“
Изследването е публикувано в научното списание PNAS.
