Ученые из Киотского университета по-новому взглянули на рутенат стронция ($\text{Sr}_2\text{RuO}_4$) — материал, который ставил в тупик исследователей с момента обнаружения его сверхпроводимости в 1994 году. Сверхпроводники — это материалы, способные проводить электричество с нулевым сопротивлением, как правило, при очень низких температурах. Большинство из них подчиняется хорошо изученным правилам, основанным на общепринятой теории БКШ (BCS theory), но $\text{Sr}_2\text{RuO}_4$ остается исключением. Он принадлежит к классу так называемых нетрадиционных сверхпроводников, где электроны образуют пары посредством механизмов, которые до сих пор не изучены до конца. Несмотря на то что это один из самых чистых и хорошо изученных нетрадиционных сверхпроводников, точный способ объединения электронов для создания сверхпроводимости до сих пор является предметом споров.
Годами эксперименты давали противоречивые результаты. Ультразвуковые исследования предполагали, что $\text{Sr}_2\text{RuO}_4$ может обладать двухкомпонентным сверхпроводящим состоянием. Сверхпроводящее состояние описывается с помощью так называемого параметра порядка — математической структуры, объясняющей, как электроны организуются внутри материала. В двухкомпонентном состоянии могут сосуществовать несколько взаимодействующих квантовых состояний, что делает сверхпроводимость более сложной и способной поддерживать необычные эффекты, такие как внутренние магнитные поля или множественные сверхпроводящие домены. С другой стороны, некоторые эксперименты с одноосным давлением указывали на более простое однокомпонентное состояние. Это разногласие находилось в центре дебатов.
Чтобы помочь разрешить его, команда из Киото применила новый подход. Они приложили три различных вида сдвиговой деформации к очень тонким кристаллам $\text{Sr}_2\text{RuO}_4$. Сдвиговая деформация — это боковое искажение кристалла, похожее на скольжение верхней части колоды карт относительно нижней. Ее применяют для выявления квантовых механизмов, лежащих в основе сверхпроводимости.
Деформация тщательно измерялась с помощью оптической визуализации, а температура сверхпроводящего перехода ($\text{Tc}$) — температура, при которой материал переходит в сверхпроводящее состояние, — отслеживалась с помощью низкочастотной магнитной восприимчивости, которая измеряет отклик материала на магнитные поля, вплоть до 30 Кельвинов ($\text{−243 °C}$).
Результат оказался поразительным: $\text{Tc}$ почти не изменилась. Любое изменение было меньше 10 милликельвинов на процент деформации, что фактически необнаружимо. Это показывает, что сдвиговая деформация оказывает незначительное или нулевое влияние на сверхпроводимость в $\text{Sr}_2\text{RuO}_4$.
Эти результаты согласуются с моделью однокомпонентного параметра порядка, но история не так проста. Однокомпонентная модель не может объяснить другие экспериментальные данные, такие как нарушение симметрии обращения времени, сверхпроводящие домены и горизонтальные линейные узлы. Нарушение симметрии обращения времени относится к ситуации, когда сверхпроводящее состояние ведет себя по-разному, если время математически обратить, что подразумевает существование спонтанных внутренних магнитных полей. Горизонтальные линейные узлы — это области в пространстве импульсов, где сверхпроводящий энергетический зазор падает до нуля, что дает подсказки о том, как меняется спаривание электронов по всему кристаллу. Это означает, что, хотя новые данные исключают ряд теорий, они также указывают на необходимость альтернативных объяснений, выходящих за рамки общепринятых моделей.
«Наше исследование представляет собой важный шаг к решению одной из самых давних загадок физики конденсированного состояния», — заявил Джордано Маттони, первый автор и научный сотрудник Исследовательского центра Тойота Рикен–Киотского университета ($\text{TRiKUC}$).
Результаты также выявляют головоломку. Более ранние ультразвуковые эксперименты показали сильный сдвиговый эффект, в то время как новые прямые измерения деформации этого не показывают. Понимание того, почему эти два метода расходятся, теперь является основным открытым вопросом.
Помимо $\text{Sr}_2\text{RuO}_4$, разработанная в этом исследовании техника управления деформацией может быть полезна для других сверхпроводников, которые могут иметь многокомпонентные состояния, таких как $\text{UPt}_3$, а также для материалов со сложными фазовыми переходами.
Короче говоря, работа команды из Киото сужает круг возможных вариантов того, какое именно сверхпроводящее состояние может иметь $\text{Sr}_2\text{RuO}_4$. Она укрепляет аргументы против двухкомпонентного состояния, но оставляет необъясненными особенности, которые продолжают подпитывать дебаты. Загадка того, как работает сверхпроводимость в этом соединении, еще не решена, но путь вперед стал более ясным.
Источник: Kyoto University, Nature
Эта статья была сгенерирована с помощью ИИ и отредактирована. В соответствии с Разделом 107 Закона об авторском праве 1976 года, этот материал используется в целях новостного освещения. Добросовестное использование — это использование, разрешенное статутом об авторском праве, которое в противном случае могло бы нарушать права.
Всегда имейте в виду, что редакции могут придерживаться предвзятых взглядов в освещении новостей.
Автор – Sayan Sen
