Несмотря на десятки лет исследований сверхпроводимости, ученые до сих пор не до конца понимают, как возникает это явление, особенно при относительно высоких температурах. Во многих высокотемпературных материалах сверхпроводящая фаза не возникает непосредственно из обычного металлического состояния. Сначала материал переходит в состояние псевдощели. На этом этапе электроны ведут себя неожиданным образом, и количество доступных состояний для электрического потока уменьшается.
Для выявления связи между магнетизмом и псевдощелью исследователи из Института Макса Планка и Центра вычислительной квантовой физики использовали квантовый симулятор на основе ультрахолодных атомов лития, охлажденных до температур, близких к абсолютному нулю. Вместо изучения реальных материалов они воссоздали модель Ферми — Хаббарда, разместив атомы в оптической решетке, образованной лазерным излучением. Это позволило наблюдать взаимодействия электронов в условиях, недостижимых для обычных экспериментов.
С помощью квантового газового микроскопа, способного фиксировать положение и магнитную ориентацию отдельных атомов, ученые сделали более 35 000 подробных снимков системы. Анализ данных показал, что магнитные корреляции в системе подчиняются единому универсальному закону, который зависит от особой температурной шкалы, пишет Scitech Daily. Псевдощель тесно связана со скрытой магнитной упорядоченностью, которая сохраняется даже тогда, когда система выглядит хаотичной.
Исследование также показало, что электроны в этом режиме взаимодействуют более сложным образом, чем считалось ранее. Вместо образования простых пар они организуются в более крупные, многочастичные коррелированные группы. Присутствие даже одной примеси может нарушить магнитный порядок в поразительно широком диапазоне.
В отличие от прежних экспериментов, в которых измерялись взаимодействия между двумя электронами одновременно, в этой работе были зафиксированы корреляции, включающие до пяти частиц одновременно. Такого уровня детализации достигли лишь немногие лаборатории в мире.
Открытие скрытого магнитного порядка в псевдощелевой фазе приближает ученых к пониманию того, как коллективное движение взаимодействующих электронов приводит к высокотемпературной сверхпроводимости. Дальнейшие эксперименты будут направлены на еще большее охлаждение системы и поиск в квантовых материалах других форм порядка.
Появление высокотемпературных сверхпроводников могло бы вывести электронику и другие технологии на качественно новый уровень. Международная команда исследователей сделала недавно важный шаг в этом направлении: ученые впервые наблюдали «узловой металл», особое электронное состояние, позволяющее лучше понять поведение электронов в многослойной системе, содержащей медь и кислород.
