Физики открыли новый переключатель сверхпроводимости

При определенных условиях — обычно очень холодных — некоторые материалы изменяют свои свойства, становясь сверхпроводниками: электроны в них могут течь без трения . Этот структурный сдвиг называется «нематический переход». Но каков именно механизм этого процесса?

Недавно физики из Массачусетского технологического института (США) нашли ключ к тому, как один из классов сверхпроводников подвергается нематическому переходу. Ученые сделали открытие, изучая селенид железа (FeSe), материал, который является самым высокотемпературным сверхпроводником. Материал переходит в сверхпроводящее состояние при температуре около -200°C. Чем выше температура, при которой материал может проявлять сверхпроводимость, тем более перспективным он может быть для использования в реальном мире: например, для создания мощных электромагнитов для более точных и легких аппаратов МРТ или высокоскоростных левитирующих поездов.

У других сверхпроводящих материалах на основе железа ученые заметили, что переключение происходит, когда отдельные атомы внезапно сдвигают свой спин (меняют особенности вращения) в одну сторону. Но команда Массачусетского технологического института обнаружила, что селенид железа действует по совершенно другому механизму. Это различие открывает новые возможности для открытия новых необычных сверхпроводников. Научная статья вышла в Nature Materials.

Нематичность при появлении сверхпроводящих свойств можно описать так: сильные взаимодействия между электронами заставляют материал бесконечно мало растягиваться в одном направлении, что позволяет электронам свободно течь туда. Большой вопрос заключается в том, какое взаимодействие вызывает это растяжение. Для селенида железа картина была наименее ясная.

Исследователи работали с ультратонкими образцами селенида железа миллиметровой длины, которые они приклеивали к тонкой полоске титана. Они имитировали структурное растяжение, которое происходит во время нематического перехода, путем растяжения титановой полосы, которая, в свою очередь, растягивала селенид железа. В процессе искали любые свойства, которые скоординированно изменялись. Используя ультраяркие рентгеновские лучи, команда отслеживала, как двигались атомы в каждом образце и как вели себя электроны каждого атома.

Неожиданно обнаружился скоординированный сдвиг орбиталей атомов. Атомные орбитали — это энергетические уровни, которые занимают электроны атома (очень упрощенно их можно представить как орбиты планет). В селениде железа электроны могут занимать одно из двух орбитальных состояний. Обычно этот выбор случайный. 

Но ученые обнаружили, что по мере того, как они растягивали селенид железа, его электроны стали в подавляющем большинстве предпочитать одно. Это совершенно новый механизм нематичности и сверхпроводимости.