Открытие новой формы сверхпроводимости, связанной с сингулярностью Ван Хове

Сверхпроводимость — явление, при котором материал пропускает через себя электричество без сопротивления (при экстремально низких температурах), — вновь стала предметом глубокого изучения группы специалистов из Университета Эмори. Исследователи выявили новый осциллирующий механизм сверхпроводимости, связанный с сингулярностями Ван Хове. Это открытие может повлиять на его использование в будущих технологиях.

Сверхпроводимость, открытая в 1911 году, представляет собой состояние, в котором некоторые материалы проводят электричество без потери энергии (пока только при очень низких температурах или очень высоких давлениях). Это квантовое состояние интригует ученых уже более века. Электроны, обычно независимые друг от друга, при низких температурах объединяются в коллективное состояние, которое ведет себя как единое целое.

Недавно группа специалистов из Университета Эмори пролила свет на один из аспектов этого явления: формирование осциллирующей сверхпроводимости, связанной с сингулярностями Ван Хове. Это открытие открывает новые перспективы для понимания и использования сверхпроводимости. Статья опубликована в журнале Physical Review Letters.

Электронный танец для нового квантового состояния

Сверхпроводимость — это явление, при котором некоторые материалы при охлаждении до сверхнизких температур проводят электричество без какого-либо сопротивления. Несмотря на простоту определения, само явление остается загадочным.

Исследовательская группа Университета Эмори под руководством физика Луиса Сантоса выявила особый механизм этого явления: осциллирующую сверхпроводимость. Более конкретно, они обнаружили, что для этой формы сверхпроводимости характерны так называемые волны плотности пар. Вместо постоянного потока электронов происходит своего рода осцилляция, движение вперед-назад.

Волны парной плотности можно представить себе как согласованный «танец» электронов в сверхпроводящем материале. Обычно электроны движутся независимо друг от друга, но в определенных состояниях они могут образовывать пары и двигаться вместе в определенном ритме или рисунке. Этот согласованный «танец» создает области, в которых электронов больше, а в других — меньше, отсюда и термин «плотность».

Источником этого танца являются так называемые «сингулярности Ван Хове», поясняют исследователи в своем пресс-релизе. Проще говоря, эти сингулярности представляют собой точки, в которых многочисленные электронные состояния, или энергетические уровни, сближаются. Эта близость может быть ключом к возникновению осцилляций.

Открытие этого механизма позволяет по-новому взглянуть на то, как может проявляться сверхпроводимость.

Колеблющиеся сингулярности

Чтобы прийти к этому наблюдению, группа специалистов Университета Эмори под руководством физика Луиса Сантоса использовала методы перенормировки для упрощения и изучения взаимодействия электронов в материале. Исследователи сосредоточили свое внимание на сингулярностях Ван Хове, используя теоретическую базу, известную как модель Халдейна.

Как уже упоминалось, сингулярности Ван Хове — это особые точки в полосовой структуре материала, в которых плотность электронных состояний резко меняется. Эти точки представляют особый интерес, поскольку могут приводить к необычному электронному поведению.

Исследуя эти сингулярности, ученые обнаружили, что отталкивательные взаимодействия между электронами, которые обычно препятствуют образованию упорядоченных состояний, на самом деле могут стабилизировать это особое состояние осциллирующей сверхпроводимости.

Традиционно считается, что отталкивательное взаимодействие между отрицательно заряженными частицами, такими как электроны, не способствует образованию упорядоченного состояния. Однако данное исследование свидетельствует об обратном. Это ставит под сомнение некоторые из наших традиционных представлений и открывает путь к изучению новых электронных фаз, которые могут иметь практическое применение.

Будущие перспективы

Сверхпроводимость обещает повысить эффективность передачи электроэнергии, снизить потери и оптимизировать распределение. Такое повышение эффективности способно радикально изменить способы использования и распределения электроэнергии, предлагая более устойчивые и экономичные решения.

И это не просто футуристический прогноз. Сверхпроводимость уже используется в современных технологиях. Например, сверхпроводящие катушки играют важнейшую роль в аппаратах магнитно-резонансной томографии (МРТ), позволяя создавать мощные магнитные поля, необходимые для визуализации внутренностей человеческого тела. Аналогичным образом, поезда с электромагнитной левитацией, парящие над рельсами благодаря сверхпроводимости, обеспечивают высокоскоростное движение без традиционного трения, присущего обычным поездам.

Это квантовое состояние не просто тема для исследований, оно формирует технологический ландшафт, обещая достижения, которые могут переосмыслить повседневную жизнь.