Прорыв в сверхпроводимости: ученые открыли новое состояние квантовой материи

Корнельский университет, 29 августа 2023 г.

Ученые из Корнелла обнаружили новое квантовое состояние материи в дителлуриде урана, которое может произвести революцию в квантовых вычислениях и спинтронике, сформировав материальную платформу для сверхстабильных квантовых компьютеров и открыв новые возможности для идентификации таких состояний в различных материалах.

Researchers from Cornell University have identified a new state of matter in candidate topological superconductors, a discovery that may have far-reaching implications for both condensed matter physics and the fields of quantum computingPerforming computation using quantum-mechanical phenomena such as superposition and entanglement." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">квантовые вычисления и спинтроника.

Исследователи из группы макроскопической квантовой материи в Корнелле обнаружили и визуализировали кристаллическое, но сверхпроводящее состояние в новом и необычном сверхпроводнике, дителлуриде урана (UTe2), используя один из самых мощных в мире милликельвиновых сканирующих туннельных микроскопов Джозефсона (SJTM). Этот «кристалл спин-триплетной электронной пары» представляет собой ранее неизвестное состояние топологической квантовой материи.

Результаты были недавно опубликованы в журнале Nature. Цянцян Гу, научный сотрудник, работающий в лаборатории физика Дж. К. Симуса Дэвиса, заслуженного профессора Джеймса Гилберта Уайта в Колледже искусств и наук, руководил исследованием вместе с Джо Кэрроллом из Университетского колледжа Корка и Шуцю Ваном из Оксфордского университета.

Сверхпроводники являются топологическими, когда спаривающий потенциал имеет нечетную четность, что приводит к тому, что каждая электронная пара принимает спин-триплетное состояние, при этом оба электронных спина ориентированы в одном направлении. Топологические сверхпроводники являются объектом интенсивных исследований физиков, поскольку теоретически они могут стать основой материалов для сверхстабильных квантовых компьютеров, сказал Гу.

Однако даже после десятилетия интенсивных исследований топологической сверхпроводимости ни один объемный материал не был окончательно признан спин-триплетным сверхпроводником нечетной четности, за исключением сверхтекучего 3He, который также был открыт в Корнелле. Недавно экзотический новый материал дителлурид урана (UTe2) стал весьма многообещающим кандидатом для этой классификации. Однако его сверхпроводящий параметр порядка остается неуловимым, сказал Гу.

В 2021 году физики-теоретики начали предполагать, что UTe2 на самом деле находится в топологическом состоянии парной волны плотности (PDW). Никакая такая форма квантовой материи никогда не была обнаружена.

Проще говоря, PDW похож на стационарный танец парных электронов, обнаруженных в сверхпроводнике, но пары образуют периодические кристаллические структуры в пространстве.

«Наша команда в Корнелле обнаружила первую когда-либо наблюдавшуюся PDW в 2016 году с помощью сканированного туннельного микроскопа Джозефсона со сверхпроводящим наконечником, который мы изобрели для этой цели», — сказал Гу. «С тех пор мы стали пионерами в исследованиях SJTM при температурах в милликельвинах и с разрешением по энергии в микровольтах. В рамках проекта UTe2 мы непосредственно визуализировали пространственные модуляции сверхпроводящего потенциала спаривания на атомном уровне и обнаружили, что они модулируются точно так, как было предсказано в состоянии PDW, поскольку плотность электронных пар периодически модулируется в пространстве. То, что мы обнаружили, — это новое квантовое состояние материи — волна топологической парной плотности, состоящая из спин-триплетных куперовских пар».

Волны плотности куперовских пар — это форма электронной квантовой материи, в которой пары электронов замерзают в сверхпроводящее состояние PDW вместо того, чтобы образовывать традиционную «сверхпроводящую» жидкость, где все находятся в одном и том же свободно движущемся состоянии.

«Открытие первой PDW в спин-триплетных сверхпроводниках является захватывающим», — сказал Гу. «Сверхпроводящие соединения тяжелых фермионов на основе урана — это новый экзотический класс материалов, который обеспечивает многообещающую платформу для реализации топологической сверхпроводимости. … Наше научное открытие также указывает на повсеместную природу этого интригующего квантового состояния в s-, d- и p-волновых сверхпроводниках и проливает свет на новые возможности идентификации таких состояний в широком спектре материалов».