Нещодавно було опубліковано експериментальні підтвердження чотире-ферміоних зв’язаних станів що вказує на необхідність розширення класичної теорії надпровідності (Grinenko, V., Weston, D., Caglieris, F. et al. State with spontaneously broken time-reversal symmetry above the superconducting phase transition. Nat. Phys. (2021)). Крім того в таких системах спостерігається порушення фундаментальної симетрії зворотності часу.

Головний принцип який лежить в основі сучасної теорії надпровідності полягає в тому, що електрони (як ферміони) утворюють пари і таким чином стають бозе-частинками. Але чи можуть вони таким чином творити четвірки? Останні досліджень показують, що так це можливе і фізик з Стокгольмського Королівського технологічного інституту опублікував перші експериментальні докази цього квадрупольного ефекту та механізму, за допомогою якого виникає цей стан речовини.

Професор Єгор Бабаєв та його колеги представили в останній статті в Nature Physics докази наявності квадрупольного ферміону в серії експериментальних вимірювань в матеріалі на основі заліза, Ba_1-xK_xFe₂As₂ при певному рівні легування. Експериментальне підтвердження з’явилось майже через 20 років після того, як Бабаєв вперше передбачив подібне явище, та через вісім років після того, як він опублікував статтю, в якій передбачав, що це може статися у конкретній речовині.

Сполучення електронів у пари забезпечує квантовий стан надпровідності, стан нульового опору провідності, який використовується в МРТ-сканерах та квантових обчисленях. Це відбувається в результаті притягання двох електронів, а не відштовхування один одного, як це було б у вакуумі. Вперше це явище було описано теорією Леона Купера, Джона Бардіна та Джона Шріффера, чиї роботи були удостоєні Нобелівської премії в 1972 році.

Так звані пари Купера - це дослівно "протилежності, які притягуються". Зазвичай два електрони, які є негативно зарядженими субатомними частинками, сильно відштовхували б один одного. Але при низьких температурах у кристалі вони нещільно зв’язуються парами, створюючи дальній порядок. Електронні пари більше не розсіюються на дефектах та перешкодах, і провідник може втратити весь електричний опір, перетворюючись на новий стан речовини - надпровідник.

Але останнім часом широкого поширення набула теоретична ідея чотириферміонних конденсатів.

Для того, щоб відбувся стан ферміонів об’єднаних у четвірку, має бути щось, що запобігає конденсації пар і запобігає їх течії без опору, водночас дозволяючи конденсацію чотирьохелектронних композитів, зазначає Бабаєв.

Теорія Бардіна-Купера-Шріффера не допускала такої поведінки, тому, коли співробітник Бабаєва з Технічного університету Дрездена Вадим Гріненко в 2018 році виявив перші ознаки ферміонного квадрупольного конденсату, це поставило під сумнів наукову концепцію що була поширена роками.

Далі протягом трьох років проводились експерименти та дослідження в лабораторіях багатьох установ для підтвердження цих результатів.

Бабаєв каже, що ключовим серед зроблених спостережень є те, що ферміонні квадрупольні конденсати спонтанно порушують інваріантність відносно зворотності часу (так звана T-симетрія). У фізиці симетрія зворотності часу – це математична операція заміни часу на від’ємне значення у формулах або рівняннях так, щоб вони описували подію, в якій час біжить назад або всі рухи змінюються на зворотні.

Якщо перевернути часовий напрямок, фундаментальні закони фізики все ще діють. Це також стосується типових надпровідників: якщо стрілка часу зміниться, типовий надпровідник все одно буде в тому самому надпровідниковому стані.

«Однак у випадку чотириферміонного конденсату, про який ми повідомляємо, реверсування часу переводить його в інший стан», - стверджує Бабаєв.

«Ймовірно, знадобляться багато років досліджень, щоб повністю зрозуміти цей стан», — припускає дослідник. "Експерименти відкривають ряд нових питань, виявляючи ряд інших незвичайних властивостей, пов'язаних з його реакцією на теплові градієнти, магнітні поля та ультразвук, які ще належить краще зрозуміти" (детальніше arXiv:2103.17190v2)

Фото - надпровідний матеріал на основі заліза Ba_1-xK_xFe₂As₂, підготовлений до проведення експерименту.

За матеріалами phys.org