Фізики визначили механізм коливальної надпровідності, який називається парними хвилями густини, через структури, відомі як частинки Ван Хова. Це відкриття забезпечує глибше розуміння нетрадиційних надпровідних станів, які зустрічаються в певних матеріалах, включаючи високотемпературні надпровідники.
Дослідники опублікували нову теоретичну основу.
Фізики визначили механізм, відповідальний за створення коливальних надпровідників, які називаються парними хвилями густини. Результати, які підкреслюють нетиповий стан високої надпровідності, що спостерігається в певних матеріалах, таких як високотемпературні надпровідники, опубліковані в Листи фізичного огляду.
«Ми виявили, що структури, відомі як сингулярності Ван Хоува, можуть створювати модифіковані, коливальні стани надпровідності», — каже Луїза Сантос, доцент кафедри фізики Університету Еморі та старший автор дослідження. «Наша робота забезпечує нову теоретичну основу для розуміння появи такої поведінки, явища, яке ще не зовсім зрозуміле».
Першим автором дослідження є Педро Кастро, аспірант фізики з Еморі. Співавторами є Даніель Шаффер, докторант у групі Santos, і І-Мінг Ву зі Стенфордського університету.
Сантос — вчений-теоретик, який спеціалізується на фізиці конденсованого середовища. Він вивчає взаємодію квантової матерії — дрібних предметів, таких як атоми, фотони та електрони, — які не поводяться згідно із законами класичної фізики.
Надпровідність, або здатність деяких матеріалів проводити електрику без втрати енергії при охолодженні до надзвичайно низької температури, є одним із прикладів цікавої квантової поведінки. Це явище було відкрито в 1911 році, коли голландський фізик Хайке Камерлінг Оннес показав, що ртуть втрачає свій електричний опір, коли охолоджується до 4 Кельвінів, або мінус 371 градус. Ф. Це приблизно температура Ураннайхолодніша планета Сонячної системи.
До 1957 року вченим знадобилося пояснення того, як і чому виникає надпровідність. При нормальних температурах електрони блукають більш-менш незалежно. Вони стикаються з іншими частинками, змушуючи їх змінювати швидкість і напрямок і розсіювати енергію. Однак при більш низьких температурах електрони можуть організовуватися в новий стан речовини.
Луїза Сантос, доцент кафедри фізики Університету Еморі, є провідним автором дослідження. Авторство: Університет Еморі
«Вони утворюють пари, пов’язані разом у колективному стані, які діють як єдине ціле», — пояснює Сантос. “Ви можете думати про них як про солдатів в армії. Якщо вони рухаються ізольовано, їх легко відвернути. Але коли вони йдуть разом у стабільному темпі, їх дуже важко дестабілізувати. Цей колективний стан несе течію в потужний спосіб».
Надпровідність має величезний потенціал. Теоретично це могло б дозволити електричному струму проходити по проводах без їх нагрівання та втрати енергії. Тоді ці дроти можуть передавати набагато більше електроенергії та з набагато більшою ефективністю.
«Одним із великих святинь фізики є надпровідність при кімнатній температурі, яка досить практична для повсякденного застосування», — каже Сантос. «Цей прорив може змінити форму цивілізації».
Багато фізиків та інженерів працюють над цією передовою, щоб революціонізувати спосіб передачі електроенергії.
Тим часом надпровідність вже знайшла застосування. Надпровідні котушки працюють на магнітній енергії, яка використовується в апаратах магнітно-резонансної томографії (МРТ) для медичної діагностики. Зараз у світі працює кілька поїздів на магнітній подушці, побудованих на надпровідних магнітах, які в десять разів сильніші за звичайні електромагніти. Магніти відштовхуються, коли два ідентичні полюси стоять один проти одного, створюючи магнітне поле, здатне піднімати та рухати поїзд.
Великий адронний колайдер, прискорювач елементарних частинок, який вчені використовують для дослідження базової структури Всесвіту, є ще одним прикладом технології, яка працює через надпровідність.
Надпровідність продовжує виявлятися в більшій кількості матеріалів, у тому числі в багатьох, які є надпровідними при вищих температурах.
Одним із напрямків досліджень Сантоса є те, як взаємодія між електронами може призвести до форм надпровідності, які неможливо пояснити описом надпровідності 1957 р. Прикладом так званого екзотичного явища є коливальна надпровідність, коли спарені електрони танцюють у хвилях, змінюючи ємність .
У непов’язаному проекті Сантос попросив Кастро дослідити певні властивості сингулярностей Ван Хова, структур, у яких багато електронних станів стають близькими за енергією. Проект Кастро показав, що сингулярності, мабуть, мають правильний тип фізики для зародження коливальних надпровідників.
Це спонукало Сантоса та його співробітників копати глибше. Вони виявили механізм, який дозволив би хвильовим станам надпровідності виникати з сингулярностей Ван Хова.
«Як фізики-теоретики ми хочемо мати можливість передбачати та класифікувати поведінку, щоб зрозуміти, як працює природа», — каже Сантос. «Тоді ми можемо почати задавати відповідні технологічні запитання».
Деякі високотемпературні надпровідники, які працюють при температурах, утричі нижчих за домашню морозильну камеру, мають таку поведінку танцюючої хвилі. З’ясування того, як ця поведінка виникає з сингулярностей Ван Хова, дає підставу для експериментаторів досліджувати світ можливостей, які вона представляє.
«Я сумніваюся, що Камерлінг Оннес думав про левітацію чи прискорювачі елементарних частинок, відкриваючи надпровідність», — каже Сантос. «Але все, що ми дізнаємося про світ, має потенційне застосування».
Довідка: Педро Кастро, Даніель Шаффер, Є-Мінг Ву та Луїза Х. Сантос «Поява надзарядженої хвилі Черна та парної щільності через сингулярності Ван Хова вищого порядку в моделі Холдейна-Хаббарда», 11 липня 2023 р., доступно тут . Листи фізичного огляду.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.026601
Робота була профінансована Управлінням фундаментальних енергетичних наук Міністерства енергетики США.
“Професійний вирішувач проблем. Тонко чарівний любитель бекону. Геймер. Завзятий алкогольний ботанік. Музичний трейлер”
