Сверхпроводимость сама по себе звучит почти невероятно: электрический ток может проходить через материал без сопротивления и связанных с ним потерь энергии в виде тепла. Но даже спустя десятилетия исследований физики всё ещё не до конца понимают некоторые детали этого явления.
Одна из таких загадок скрывалась в ультратонких материалах из семейства дихалькогенидов переходных металлов.
При охлаждении некоторые из них становятся сверхпроводниками. Измерения двух таких материалов долгое время показывали, казалось бы, довольно простую картину: у них наблюдалась всего одна сверхпроводящая энергетическая щель.
Для физиков это важная характеристика, позволяющая судить о том, как электроны объединяются в пары, обеспечивающие сверхпроводимость.
Однако была проблема: математическое описание системы никак не хотело идеально укладываться в модель с одной электронной зоной. Чтобы заставить расчёты соответствовать экспериментам, приходилось прибегать к приближениям.
Теперь исследователи из Еврейского университета в Иерусалиме предложили объяснение.
Судя по их данным, в этих материалах на самом деле участвуют две сверхпроводящие зоны. Просто они ведут себя настолько согласованно, что эксперимент видит их как одну.
Исследователи сравнили это с ситуацией, когда на слух кажется, будто поёт один человек, а затем выясняется, что это идеально синхронизированный дуэт.
Работу начали с хорошо известного сверхпроводника — диселенида ниобия NbSe₂. Учёные использовали высокочувствительный метод туннельной спектроскопии, позволяющий очень точно исследовать поведение электронов внутри материала.
Затем экспериментальные данные сравнили с математическими моделями.
Модель с двумя зонами описывала результаты заметно лучше, чем вариант с одной.
Но почему прежние измерения тогда показывали только одну энергетическую щель?
По мнению исследователей, причина заключается в необычно интенсивном рассеянии электронов между двумя зонами.
Сверхпроводимость связана с образованием так называемых куперовских пар. За время существования такой пары носители заряда успевают несколько раз переходить между двумя электронными зонами.
Из-за этого две различные сверхпроводящие щели словно усредняются. В результате прибор регистрирует одну эффективную щель, хотя за ней скрываются сразу две.
Дополнительные измерения в магнитном поле подтвердили, что такое объяснение хорошо соответствует поведению материала.
Затем исследователи проверили другой ультратонкий сверхпроводник из того же семейства — дисульфид тантала TaS₂.
И там обнаружилась похожая картина.
Это усилило предположение, что речь идёт не об особенности одного конкретного вещества, а о явлении, которое может встречаться и в других родственных материалах.
Таким образом, загадка ультратонких сверхпроводников, по-видимому, получила объяснение: то, что казалось простой системой с одной зоной, на самом деле представляет собой две тесно связанные сверхпроводящие зоны, настолько сильно взаимодействующие друг с другом, что эксперименту трудно их различить.
Однако на этом история не заканчивается.
Такие материалы существуют не только в виде чрезвычайно тонких слоёв. Учёные предполагают, что в более толстом диселениде ниобия сверхпроводимость может быть устроена ещё сложнее.
Там в процессе потенциально способны участвовать уже три зоны.
Пока имеющиеся данные не позволяют однозначно разобраться в возможных вариантах, поэтому исследователи считают эту часть вопроса открытой.
Подобные тонкости физики электронов могут показаться далёкими от повседневной жизни, но сверхпроводники рассматриваются как перспективные материалы для будущих электрических сетей, электроники и квантовых технологий. Их важное преимущество — возможность создавать системы с крайне малыми потерями энергии и нагревом.
Сегодня практическому применению сверхпроводимости всё ещё мешает необходимость строго контролируемых условий и ряд технических ограничений.
Поэтому чем точнее учёные понимают, что именно происходит с электронами в разных сверхпроводниках, тем больше возможностей появляется для управления их свойствами и создания новых устройств.
Новая работа заодно показывает, насколько обманчивой иногда может оказаться внешне простая картина.
Физики много раз измеряли эти материалы и видели одну энергетическую щель. Но оказалось, что за ней всё это время могли скрываться две системы, настолько хорошо синхронизированные между собой, что выглядели как одна.
Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.
