Физики создали сверхпроводник, нарушающий симметрию времени
Международная команда физиков под руководством исследователей из Индийского института научного образования и исследований в Бхопале обнаружила необычные квантовые свойства материала, который может расширить представления о сверхпроводимости. Об этом пишет Sciencealert.
Речь идет об иттербии диантимониде YbSb2. В лаборатории ученые синтезировали его монокристаллы, после чего с помощью рентгеновского излучения проверили химическую чистоту материала и его сложную кристаллическую структуру.
Особенность YbSb₂ проявляется при сверхнизких температурах. Примерно при -272 градусах Цельсия электрическое сопротивление материала падает до нуля, и он переходит в сверхпроводящее состояние. Это лишь немного выше абсолютного нуля, который составляет -273,15 градуса Цельсия.
Исследователи также провели измерения удельной теплоемкости, чтобы изучить поведение электронов при нагревании. Результаты подтвердили, что YbSb2 относится к сверхпроводникам I типа. Это важно, поскольку до сих пор необычные свойства, связанные с нарушением симметрии времени, преимущественно ассоциировались с более экзотическими сверхпроводниками II типа.
Речь идет о так называемой симметрии относительно обращения времени. В физике она означает, что многие фундаментальные законы не меняются, если математически заменить направление течения времени с прямого на обратное.
Но некоторые физические явления могут нарушать эту симметрию. Именно такой признак исследователи обнаружили в YbSb2. Для этого они использовали мюонную спиновую спектроскопию – метод, позволяющий исследовать внутренние магнитные поля материалов с помощью мюонов.
Мюоны – это фундаментальные субатомные частицы, которые можно использовать в качестве своеобразных датчиков магнитной среды внутри материала.
Когда исследователи проводили измерения без внешнего магнитного поля, они обнаружили, что после перехода YbSb2 в сверхпроводящее состояние внутри материала спонтанно возникают слабые магнитные поля. Именно это стало одним из ключевых доказательств нарушения симметрии относительно обращения времени.
Причина заключается в том, что магнитное поле меняет свое направление, если математически повернуть время вспять. Если внутри сверхпроводника возникает магнитное поле без внешнего воздействия, это может свидетельствовать о том, что система уже не сохраняет исходную симметрию.
Еще одна важная особенность YbSb2 касается поведения электронов. В сверхпроводниках электроны могут объединяться в так называемые куперовские пары. Именно такое коллективное состояние позволяет им двигаться через материал без электрического сопротивления.
В YbSb2 эти пары имеют необычную структуру. Исследователи обнаружили так называемый спиновый триплет – разновидность куперовских пар, в которой спины электронов могут находиться в одном из нескольких возможных взаимных состояний.
Точнее, авторы работы описывают это состояние как внутренне антисимметричное неунитарное триплетное состояние. Его важная особенность заключается в том, что магнитные моменты электронов не компенсируют друг друга полностью. В результате система приобретает собственный суммарный магнитный момент.
Это позволяет YbSb₂ нарушать симметрию относительно обращения времени без необходимости приложения внешнего магнитного поля. Чтобы понять, как формируются такие триплетные пары, физики смоделировали свойства материала. Расчеты показали, что электроны в каждой паре происходят из разных энергетических орбиталей.
Свойства YbSb₂ могут быть интересны не только с фундаментальной точки зрения.
Модели исследователей указывают, что материал потенциально способен поддерживать бесщелевые поверхностные моды Майораны.
Речь идет об особых квантовых возбуждениях, которые ведут себя как собственные античастицы. Они могут возникать на поверхности материала, в то время как его объем остается сверхпроводящим и проводит электроны без сопротивления. Именно такие свойства привлекают внимание исследователей квантовых технологий.
Материалы с топологическими квантовыми свойствами потенциально могут помочь защитить квантовую информацию от внешних помех. Для квантовых систем особенно опасны тепло и электромагнитный шум, поскольку они могут разрушать хрупкие квантовые состояния.
Если такие материалы действительно позволят лучше защищать квантовую информацию, они могут стать одним из направлений развития будущих квантовых вычислительных систем.
В то же время исследование YbSb2 пока демонстрирует прежде всего фундаментальное физическое свойство материала, а не готовую технологию для квантовых компьютеров. Требуются дальнейшие эксперименты, чтобы проверить, насколько стабильны обнаруженные состояния и можно ли практически использовать их свойства.
- Последние
- Популярные
Новости по дням
2 октября 2026
