Сверхпроводимость и магнетизм — это макроскопические состояния, возникающие при определенном поведении электронов. Материал называют магнитом, когда электроны в его атомной структуре имеют приблизительно одинаковый спин, или орбитальное движение, создающее коллективное притяжение в виде магнитного поля. Материал является сверхпроводником, когда электроны, проходящие через него, могут объединяться в «куперовские пары». В этом состоянии электроны не встречают сопротивления, не сталкиваясь с атомной решеткой материала.
Долгое время считалось, что сверхпроводимость и магнетизм не могут сосуществовать, поскольку магнитное поле может легко разорвать связи между куперовскими парами. Но в начале этого года два отдельных эксперимента доказали обратное. В первом эксперименте ученые из Массачусетского технологического института обнаружили сверхпроводимость и магнетизм в ромбоэдрическом графене — синтезированном материале, состоящем из четырех или пяти слоев графена.
Вскоре после этого вторая группа исследователей сообщила о подобных двойных состояниях в полупроводниковом кристалле дителлурида молибдена (MoTe2). Интересно, что условия, при которых MoTe2 становится сверхпроводящим, совпадают с условиями, при которых материал демонстрирует экзотический дробный квантовый эффект Холла — явление, при котором любой электрон, проходящий через материал, должен расщепляться на части. Эти фрактальные квазичастицы известны как «энионы».
Энионы отличаются от двух основных типов частиц, составляющих Вселенную: бозонов и фермионов. Бозоны предпочитают находиться вместе и перемещаться группами. Фермионы держатся особняком и отталкиваются друг от друга, если оказываются слишком близко. Энионы же существуют только в двумерном пространстве. Этот третий тип частиц был предсказан в 1980-х, и вскоре после этого физики выдвинули теорию о том, что в присутствии магнетизма энионы должны быть способны к сверхпроводимости, пишет MIT News.
Авторы нового исследования определили условия, при которых в двумерном материале могут возникать сверхпроводящие энионы. Для этого они применили уравнения квантовой теории поля и смоделировали условия, при которых в MoTe2 возникало явление дробного квантового эффекта Холла.
Ученые обнаружили, что в зависимости от электронной плотности материала могут образовываться два типа энионов, с зарядом, составляющим 1/3 или 2/3 заряда электрона. Затем они применили уравнения квантовой теории поля, чтобы выяснить, как будут взаимодействовать оба типа энионов, и обнаружили, что когда энионы в основном имеют заряд 1/3, они фрустрированы, и их движение приводит к обычной металлической проводимости. Но когда энионы по большей части имеют заряд 2/3, эта фракция побуждает обычно неподвижные квазичастицы двигаться коллективно, образуя сверхпроводник.
«Эти энионы вырываются из состояния фрустрации и могут двигаться без трения, — говорит Сентхил Тодадри, главный автор статьи. — Удивительно, что это совершенно другой механизм образования сверхпроводника, но такой, который можно описать в любой другой системе как образование куперовских пар. Если наше объяснение, основанное на энионах, соответствует тому, что происходит в MoTe2, оно открывает путь к изучению нового типа квантовой материи, которую можно назвать „энионной квантовой материей“. Это станет новой главой в квантовой физике».
Перенос энергии в физических или химических системах обычно вызывает сопротивление, которое пагубно влияет на потоки заряда, энергии или массы, движущиеся сквозь вещество. Ученые из Австрии создали экспериментальные условия, в которых энергия и масса атомов ультрахолодного газа перемещались с идеальной эффективностью.
