Физики только что обнаружили «призрак» сверхпроводимости
Физики из Grainger College of Engineering Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн выявили свидетельства необычной формы сверхпроводящего поведения в дителлуриде урана (UTe2). Их эксперименты показали, что куперовские пары — связанные электроны, обеспечивающие сверхпроводимость — могут упорядочиваться в неравномерные паттерны даже тогда, когда материал уже не находится в своей основной сверхпроводящей фазе.
Эти структуры называют волнами плотности пар (pair density waves, PDW). Их предсказали примерно 20 лет назад, и предыдущие исследования выявляли подобные волны наряду со сверхпроводимостью в других металлах. Новое исследование, опубликованное в Proceedings of the National Academy of Sciences, идет дальше: оно предоставляет первые прямые доказательства того, что PDW в UTe2 могут сохраняться в «обычной» фазе материала после исчезновения основной сверхпроводящей фазы.
Комментарий исследователей
«Волны плотности пар — это улыбка Чеширского кота сверхпроводимости», — сказал Эдуардо Фрадкин, профессор физики Grainger Engineering в Иллинойсе и один из руководителей проекта. «Они — пережиток, который остается после того, как сама фаза исчезла. В обычных сверхпроводниках куперовские пары формируются при полном фазовом переходе, но в этой системе их наблюдение в виде PDW выше точки перехода показывает, что они возникают заранее в другом состоянии».
«Благодаря новым методам выращивания кристаллов более высокого качества мы смогли наблюдать спектральные сигнатуры, которые реагируют на температуру и магнитные поля ровно так, как и должны реагировать волны плотности пар», — сказала Видья Мадхаван, профессор физики Grainger Engineering и второй руководитель проекта. «Мы даже показали, что моды сохраняются выше температуры, при которой исчезает сверхпроводимость, что является характерным теоретическим предсказанием, не получавшим убедительного экспериментального подтверждения до сих пор».
Как ведут себя нетипичные сверхпроводники
Сверхпроводимость возникает, когда металл способен проводить электричество без сопротивления при охлаждении ниже критической температуры. В этом состоянии свободные электроны материала переходят в низкоэнергетическое квантовое состояние.
Это ставит фундаментальную проблему. Электроны относятся к группе частиц, называемых фермионами, и квантовая механика не позволяет фермионам занимать одно и то же состояние. Сверхпроводимость обходит это ограничение через более сложный процесс, вовлекающий пары электронов.
В 1957 году физики из Иллинойса Джон Бардин, Леон Купер и Роберт Шриффер объяснили это поведение в рамках теории, ставшей известной как BCS. Согласно их модели, электроны сначала коррелируют через взаимодействие с решеткой металла, после чего один электрон связывается с другим, образуя куперовскую пару.
В отличие от отдельных электронов, куперовские пары ведут себя как бозоны. Это означает, что многие из них могут занимать одно и то же квантовое состояние без ограничений, присущих индивидуальным фермионам. После образования пары они могут конденсироваться в сверхпроводящее состояние.
Теория BCS успешно объясняла известные проявления сверхпроводимости до открытия «нетипичных» сверхпроводников в 1986 году. Эти материалы не вписываются в допущения BCS, хотя в них все же образуются куперовские пары и происходит конденсация. Понимание точного механизма работы нетипичных сверхпроводников по-прежнему является активной областью исследований.
У нетипичных сверхпроводников часто появляются другие электронные фазы при температурах ниже критической температуры сверхпроводимости. Пример — волны плотности заряда (charge density waves, CDW), когда часть электронов формирует периодический, неравномерный узор. В результате в одних областях возникает больше электрического заряда, в других — меньше.
В 2007 году Фрадкин и его коллеги предложили еще одну возможную фазу, известную как волна плотности пар. Куперовские пары обычно распределены равномерно по сверхпроводнику, но исследователи предположили, что пары также могут организовываться в периодические структуры.
Их теория дала необычное предсказание: волны плотности пар потенциально могут выживать выше критической температуры, что означало бы, что куперовские пары могут формироваться даже когда материал не входит в сверхпроводящую фазу.
«Когда мы впервые это предложили, мы были на грани смелости», — сказал Фрадкин. «Это очень странное состояние, и хотя были экспериментальные намеки, прямого подтверждения существования такой фазы не было».
«PDW трудно анализировать в реальных материалах, потому что в некоторых экспериментах они ведут себя как обычные сверхпроводники, а в других — как CDW», — сказал Джулиан Мэй-Манн, бывший аспирант Grainger Engineering, работавший над теоретическим анализом. «Подтверждение существования PDW требует как качественных экспериментальных данных, так и тщательного теоретического анализа».
Открытия в области дительлурида урана
До 2019 года дителлурид урана в целом считался обычным металлом. Ситуация изменилась, когда исследователи обнаружили, что он переходит в сверхпроводящую фазу при температурах ниже примерно 2 К.
Дальнейшие исследования заставили физиков предположить, что UTe2 может быть редким сверхпроводником с утроенной (триплетной) парой. В отличие от пар электронов, описанных теорией BCS, триплетные электронные пары обладают магнитным моментом.
Единственный подтвержденный пример триплетной «супер-фазы» — сверхтекучий гелий-3. Эта система была подробно изучена покойным физиком из Иллинойса Энтони Леггеттом, который получил Нобелевскую премию за эту работу.
«Считается, что существуют триплетные сверхпроводники с свойствами, аналогичными сверхтекучему гелию-3, и есть несколько сверхпроводников, которые считают такими случаями», — сказал Фрадкин. «Я не стал бы утверждать, что вопрос полностью закрыт, но консенсус таков, что UTe2 является триплетным сверхпроводником».
Дителлурид урана привлек внимание экспериментальной группы Мадхаван. С помощью сканирующей туннельной микроскопии (STM) команда обнаружила в материале волны плотности заряда. Но некоторые свойства этих волн выглядели странно: на них влияли магнитные поля, которые могли уничтожать их.
«Волна плотности заряда — это просто коллективное электронное состояние, модулированное в пространстве, поэтому нет причин, по которым оно должно реагировать на магнитные поля или тем более разрушаться ими», — сказала Мадхаван. «Мы показали наши данные профессору Фрадкину и его студентам и предсказали, что такое может происходить, если в системе присутствует также волна плотности пар. Для такого явления мало возможных объяснений, и волны плотности пар — лучшее из них, которое я могу придумать».
Лучшие кристаллы выявили скрытую фазу
Чтобы исследовать возможность существования PDW, команде Мадхаван сначала понадобились гораздо более чистые образцы UTe2. PDW чрезвычайно хрупки и требуют высокоупорядоченных кристаллов для формирования.
Соавторы предоставили образцы лучшего качества, выращенные новым методом расплава (molten flux growth). Исследователи затем изучали их с помощью сканирующего туннельного микроскопа с векторным магнитным полем, что позволяет изучать ответ поверхности материала на магнитные поля, приложенные под разными направлениями.
«Мы не могли увидеть волны плотности пар в наших ранних данных из‑за примесей в материале, которые маскировали сигналы», — сказала Мадхаван. «Это было как пытаться разглядеть свет в тумане. Но с лучшими образцами и новым векторным магнитным оборудованием нам это удалось. Последнее было особенно важно, потому что UTe2 анизотропен, и нам нужно было исследовать кристаллы под разными углами».
«Ключевым преимуществом нашего эксперимента было новое векторное магнитное оборудование, которое обеспечивает необычно большой диапазон магнитного поля вдоль нескольких направлений», — сказал Чжэн Чжу, постдок Grainger Engineering, проводивший эксперименты. «Эта возможность особенно хорошо подходит для UTe2, у которого верхнее критическое поле сверхпроводимости сильно анизотропно. Систематически изменяя как величину, так и направление поля, вместе с температурой, мы могли отслеживать эволюцию этих мод и убедиться, что наблюдаемое поведение является внутренним свойством системы».
Куперовские пары сохраняются после исчезновения сверхпроводимости
Измерения CDW выявили моды, которые менялись с температурой и магнитным полем так, как ожидается для PDW. Магнитные поля могли разрушать эти моды, что соответствует объяснению через волны плотности пар.
Самый поразительный результат проявился при повышении температуры. Некоторые моды продолжали существовать даже после того, как материал пересек критическую температуру и основная сверхпроводящая фаза исчезла.
«В конденсированном состоянии вещества существуют базовые принципы, которые ограничивают то, как разные фазы могут появляться и исчезать при изменении температуры или при приложении магнитного поля», — сказал Мэй-Манн. «Любое объяснение экспериментальных данных, опирающееся только на CDW, противоречит этим принципам. Объяснение на основе PDW, напротив, дает удовлетворительную и согласованную картину».
Исследователи отмечают важное ограничение: изображения STM фиксируют лишь эффекты на поверхности материала, поэтому эксперимент прямо не показывает, что происходит в объеме UTe2. Тем не менее команда считает, что полученные данные дают сильную подсказку и могут открыть новые направления изучения нетипичной сверхпроводимости.
«Возможно, поведение объема материала отличается от поведения поверхности, но эти экспериментальные результаты все равно дают нам очень сильный намек на то, что происходит внутри», — сказал Фрадкин.
«Как эксперименталист, я испытываю особое удовлетворение, когда несколько независимых измерений начинают рассказывать одну и ту же историю», — сказал Чжу. «В данном случае зависимость от температуры и магнитного поля вместе с улучшенным качеством образцов сложились в поразительно согласованную картину состояния волны плотности пар».
Также в работу внесли вклад Юди Хуанг, Каймин Лиу, Чжэю Ву, Шанта Саха, Джонпьер Пальон, Александр Итон, Андрэй Чабала и Михал Валишка.
Исследование было частично поддержано Министерством энергетики США, Управлением науки, Отделом основных исследований по физике материалов и инженерии материалов.
Zhen Zhu, Yudi Huang, Julian May-Mann, Kaiming Liu, Zheyu Wu, Shanta R. Saha, Johnpierre Paglione, Alexander G. Eaton, Andrej Cabala, Michal Vališka, Eduardo Fradkin, Vidya Madhavan. Evidence of intertwined pair density and charge density wave orders in UTe2. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2026; 123 (29) DOI: 10.1073/pnas.2602117123
