При экстремально низких температурах некоторые материалы способны проводить электрический ток вообще без сопротивления и связанных с ним потерь энергии. Такие материалы называют сверхпроводниками.
Обычно их делят сразу по нескольким признакам. Одни относятся к обычным или необычным сверхпроводникам в зависимости от того, каким образом их электроны объединяются в пары Купера. Именно такое спаривание позволяет электронам двигаться через материал без сопротивления.
Кроме того, существуют сверхпроводники первого и второго типа. Они по-разному реагируют на магнитное поле и при разных условиях теряют свои сверхпроводящие свойства.
До сих пор особенно необычное квантовое поведение чаще связывали со сверхпроводниками второго типа. Однако международная группа физиков обнаружила материал первого типа, который, судя по экспериментам, способен нарушать так называемую симметрию обращения времени.
Речь идёт не о путешествиях во времени. В физике этот термин означает свойство многих законов оставаться математически правильными независимо от того, направлено время вперёд или назад.
Исследователи под руководством Индийского института научного образования и исследований в Бхопале изучили кристаллы диантимонида иттербия YbSb2. С помощью рентгеновского излучения они проверили химическую чистоту материала и его кристаллическую структуру.
Выяснилось, что примерно при −272 градусах Цельсия его электрическое сопротивление падает до нуля. Это всего примерно на один градус выше абсолютного нуля, равного −273,15 градуса.
Измерения теплоёмкости подтвердили, что материал относится к сверхпроводникам первого типа. Они также показали наличие энергетического барьера, который мешает разрушению электронных пар и помогает сохранять сверхпроводящее состояние.
Но самое необычное обнаружилось при исследовании магнитных свойств.
Учёные использовали мюоны — элементарные частицы, которые можно применять как микроскопические магнитные зонды. Когда материал охлаждали до сверхпроводящего состояния без внешнего магнитного поля, внутри него самопроизвольно возникали очень слабые магнитные поля.
Именно это стало главным свидетельством нарушения симметрии обращения времени. При математическом обращении времени направление магнитного поля должно изменяться. Появление собственного внутреннего магнитного поля у сверхпроводника показывает, что его состояние не обладает обычной симметрией относительно такого преобразования.
Исследователи также обнаружили необычный способ спаривания электронов. Вместо более привычного состояния электроны образуют так называемые спиновые триплеты.
В таком состоянии магнитные свойства двух электронов полностью не компенсируют друг друга, поэтому электронная пара обладает собственным магнитным моментом. Благодаря этому YbSb2 способен нарушать симметрию обращения времени самостоятельно, без воздействия внешнего магнитного поля.
Моделирование показало ещё одну интересную особенность: два электрона внутри одной пары происходят из разных энергетических орбиталей.
Сочетание этих свойств может позволить материалу поддерживать на поверхности так называемые майорановские состояния — особые квантовые возбуждения, которые ведут себя как собственные античастицы.
В таком случае при очень низкой температуре внутренний объём материала остаётся обычным сверхпроводником, где электроны перемещаются без сопротивления, а на поверхности могут существовать совершенно другие квантовые состояния.
Это делает находку интересной не только с точки зрения фундаментальной физики. Подобные топологические квантовые материалы потенциально могут лучше сохранять квантовую информацию, защищая её от воздействия тепла и электромагнитных помех.
Такие помехи особенно опасны для квантовых вычислений, поскольку способны разрушать хрупкие квантовые состояния, необходимые для работы квантового компьютера.
Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.
