Ученые впервые смогли непосредственно увидеть, как квантовые эффекты управляют сверхпроводимостью — явлением, при котором пары электронов позволяют электричеству течь без сопротивления при сверхнизких температурах. В исследовании, опубликованном 15 апреля в Physical Review Letters, команда зафиксировала изображения отдельных атомов, образующих пары внутри специально подготовленного газа, охлажденного почти до абсолютного нуля.
Абсолютный нуль (0 К = –273,15 °C) недостижим из-за третьего начала термодинамики: для полного извлечения тепловой энергии потребовалась бы бесконечная работа или бесконечное число шагов. Ученые охлаждают атомы до нанокельвинов (10⁻⁹ K) через последовательные стадии: лазерное охлаждение, когда фотоны «тормозят» атомы, забирая их импульс, и испарительное охлаждение, при котором наиболее энергичные атомы удаляются из ловушки, оставляя более холодные. Дополнительно применяется магнито-оптическая ловушка для изоляции от внешнего тепла.
Эта система, известная как ферми-газ, позволяет ученым заменять электроны атомами для изучения сверхпроводимости в высококонтролируемой среде. Фермионы — это частицы с полуцелым спином, подчиняющиеся принципу запрета Паули. Электроны — фермионы, но в твердых телах они сильно взаимодействуют с решеткой и друг с другом, что усложняет моделирование. Атомы, такие как литий-6, тоже являются фермионами, но их можно изолировать в оптических ловушках и регулировать взаимодействия с помощью магнитных полей, делая систему «чистой» моделью сверхпроводимости. Это позволяет проверять теоретические предсказания без помех от кристаллической решетки.
После объединения атомов в пары исследователи заметили нечто необычное: пары не вели себя независимо. Вместо этого они двигались скоординированно, причем положение каждой пары зависело от соседних — поведение, не предсказанное 70-летней нобелевской теорией сверхпроводимости. «Наш эксперимент показал, что в этой теории качественно чего-то не хватает», — говорит руководитель эксперимента Тарık Йефсах из CNRS в Париже. Это открытие добавляет важный кусочек к пазлу сверхпроводимости и может помочь в создании сверхпроводников, работающих при комнатной температуре.
Сверхпроводимость обычно возникает в некоторых металлах при экстремальном охлаждении, когда их электрическое сопротивление исчезает благодаря образованию электронных пар. Это явление впервые объяснили в 1950-х годах физики Джон Бардин, Леон Купер и Джон Роберт Шриффер. Однако теория БКШ дает лишь приблизительное описание и не может полностью объяснить все типы сверхпроводников. «Теория БКШ говорит нам, что сверхпроводимость возникает из-за склонности электронов к спариванию, — поясняет Шивэй Чжан из Института Флаттрона. — Но это грубая теория, и она ничего не говорит о том, как пары взаимодействуют».
Чтобы изучить этот пробел, физики-экспериментаторы из CNRS вместе с теоретиками исследовали, как пары могут влиять друг на друга. Используя новую методику визуализации, команда получила детальные снимки пар атомов в газе лития, охлажденном до нескольких миллиардных долей градуса выше абсолютного нуля. Ученые используют «квантовые газовые микроскопы» — комбинацию оптических решеток для фиксации атомов в ячейках-ловушках и флуоресцентной микроскопии. Атомы облучаются резонансным лазером, заставляя их испускать фотоны, которые регистрируются чувствительной камерой. Каждый атом виден как яркая точка. Для детектирования пар атомов применяют превращение пары в молекулу и последующую визуализацию по сдвигу длины волны. Точность метода позволяет наблюдать за движением пар в решетке в режиме реального времени.
Изображения показали, что спаренные атомы распределены не случайно, а связаны — каждая пара держит определенную дистанцию от других, напоминая танцоров на танцполе, избегающих столкновений. «Теория БКШ дает нам вид снаружи бального зала: мы слышим музыку и видим, как выходят танцоры, но не знаем, что происходит, — говорит Йефсах. — Наш подход — как широкоугольная камера внутри зала: мы видим, как танцоры образуют пары и обращают внимание друг на друга».
Эти результаты углубляют понимание сверхпроводников и других квантовых материалов из фермионов. В 1980-х годах исследователи открыли высокотемпературные сверхпроводники, работающие при температуре около минус 196 градусов Цельсия, но до сих пор не до конца понимают, почему они работают. Улучшая фундаментальное понимание сверхпроводимости, ученые надеются со временем создать материалы, функционирующие при обычных температурах, что может преобразить передачу энергии и вычисления. «Понимая этот простой случай, мы можем настроить наши инструменты для изучения более сложных систем, — заключает Чжан, — где мы ищем новые фазы материи, которые привели ко многим технологическим прорывам».
Источник: Scientists just captured a mysterious quantum “dance” inside superconductors