«Природа может быть злой», – говорит Джонпьер Пальоне, профессор физики в UMD, директор QMC и старший автор одной из статей. "Могут быть и другие причины, по которым мы видим все эти дурацкие вещи, но, честно говоря, за свою карьеру я никогда не видел ничего подобного."
Все сверхпроводники несут электрические токи без какого-либо сопротивления.
Это их дело. Проводка за вашими стенами не может сравниться с этим достижением, что является одной из многих причин того, что большие катушки сверхпроводящих проводов, а не обычные медные провода, использовались в аппаратах МРТ и другом научном оборудовании на протяжении десятилетий.
Но сверхпроводники достигают своей сверхпроводимости по-разному. С начала 2000-х годов ученые искали особый вид сверхпроводника, основанный на сложной хореографии субатомных частиц, которые фактически переносят его ток.
У этой хореографии есть удивительный режиссер: раздел математики, называемый топологией. Топология – это способ группировки фигур, которые можно плавно трансформировать друг в друга путем нажатия и вытягивания.
Например, из шарика теста можно сделать буханку хлеба или пирог с пиццей, но вы не сможете превратить его в пончик, не проделав в нем дырку. В итоге получается, что топологически буханка и пирог идентичны, а пончик – разные. В топологическом сверхпроводнике электроны танцуют друг с другом, кружа вокруг чего-то вроде дырки в центре бублика.
К сожалению, нет хорошего способа разрезать сверхпроводник и увеличить эти электронные танцевальные движения.
На данный момент лучший способ узнать, крутятся ли электроны на абстрактном пончике или нет, – это понаблюдать, как материал ведет себя в экспериментах. До сих пор ни один сверхпроводник не был окончательно продемонстрирован как топологический, но новые статьи показывают, что UTe2 выглядит, плавает и крякает, как правильный вид топологической утки.
Одно исследование, проведенное командой Паглионе в сотрудничестве с группой Аарона Капитульника из Стэнфордского университета, показывает, что в UTe2 одновременно существуют не один, а два вида сверхпроводимости. Используя этот результат, а также способ изменения света, когда он отражается от материала (в дополнение к ранее опубликованным экспериментальным данным), они смогли сузить типы присутствующей сверхпроводимости до двух вариантов, оба из которых полагают теоретики. топологические.
Они опубликовали свои выводы 15 июля 2021 года в журнале Science.
В другом исследовании группа под руководством Стивена Анлагжа, профессора физики в UMD и члена QMC, выявила необычное поведение на поверхности того же материала. Их выводы согласуются с долгожданным явлением топологически защищенных мод Майораны.
По прогнозам, майорановские моды, экзотические частицы, которые ведут себя как половина электрона, могут возникать на поверхности топологических сверхпроводников. Эти частицы особенно волнуют ученых, потому что они могут стать основой для создания надежных квантовых компьютеров. Анлаге и его команда сообщили о своих результатах в статье, опубликованной 21 мая 2021 года в журнале Nature Communications.
Сверхпроводники проявляют свои особые характеристики только при определенной температуре, так же как вода замерзает только при температуре ниже нуля по Цельсию.
В обычных сверхпроводниках электроны объединяются в пару, состоящую из двух человек, следуя друг за другом через металл. Но в некоторых редких случаях электронные пары исполняют круговой танец друг вокруг друга, больше похожий на вальс. Топологический случай еще более особенный – круговой танец электронов содержит вихрь, как глаз среди закрученных ветров урагана. Когда электроны образуют пары таким образом, от вихря трудно избавиться, что отличает топологический сверхпроводник от сверхпроводника с простым танцем электронов в хорошую погоду.
Еще в 2018 году команда Паглионе в сотрудничестве с командой Николаса Бутча, адъюнкт-профессора физики в UMD и физика из Национального института стандартов и технологий (NIST), неожиданно обнаружила, что UTe2 является сверхпроводником. Сразу стало ясно, что это не обычный сверхпроводник. В частности, он казался нефазированным из-за сильных магнитных полей, которые обычно разрушают сверхпроводимость, расщепляя пары танцевальных электронов. Это была первая подсказка о том, что электронные пары в UTe2 держатся друг за друга сильнее, чем обычно, вероятно, потому, что их парный танец является круговым.
Это вызвало большой интерес и вызвало дальнейшие исследования со стороны других специалистов в этой области.
«Это похоже на идеальный штормовой сверхпроводник», – говорит Анлаге. "Он сочетает в себе множество разных вещей, которые раньше никто не видел."
В новой научной статье Паллионе и его сотрудники сообщили о двух новых измерениях, которые раскрывают внутреннюю структуру UTe2. Команда UMD измерила удельную теплоемкость материала, которая характеризует, сколько энергии требуется, чтобы нагреть его на один градус.
Они измерили удельную теплоемкость при различных начальных температурах и наблюдали, как она изменяется, когда образец становится сверхпроводящим.
«Обычно при сверхпроводящем переходе наблюдается большой скачок теплоемкости», – говорит Паллионе. "Но мы видим, что на самом деле прыжков два.
Итак, это свидетельство двух сверхпроводящих переходов, а не только одного. И это очень необычно."
Эти два прыжка предполагают, что электроны в UTe2 могут объединяться в пары для исполнения любого из двух различных танцевальных паттернов.
Во втором измерении команда Стэнфорда направила лазерный луч на кусок UTe2 и заметила, что свет, отражающийся назад, был немного искажен.
Если они посылали свет, подпрыгивающий вверх и вниз, отраженный свет качался в основном вверх и вниз, но также немного влево и вправо. Это означало, что что-то внутри сверхпроводника скручивает свет, а не раскручивает его на выходе.
Команда Капитульника из Стэнфорда также обнаружила, что магнитное поле может заставить UTe2 скручивать свет в ту или иную сторону. Если бы они приложили магнитное поле, направленное вверх, когда образец стал сверхпроводящим, выходящий свет был бы наклонен влево.
Если они направляли магнитное поле вниз, свет наклонялся вправо. Это показало исследователям, что для электронов, танцующих внутри образца, было что-то особенное в направлениях кристалла вверх и вниз.
Чтобы разобраться, что все это означает для электронов, танцующих в сверхпроводнике, исследователи заручились помощью Дэниела Ф. Агтерберг, теоретик и профессор физики Университета Висконсин-Милуоки и соавтор научной статьи.
Согласно теории, расположение атомов урана и теллура внутри кристалла UTe2 позволяет электронным парам объединяться в восемь различных танцевальных конфигураций. Поскольку измерение удельной теплоемкости показывает, что два танца исполняются одновременно, Агтерберг перечислил все различные способы сочетания этих восьми танцев вместе. Искривленная природа отраженного света и коэрцитивная сила магнитного поля вдоль оси вверх-вниз сокращают возможности до четырех.
Предыдущие результаты, показывающие устойчивость сверхпроводимости UTe2 в сильных магнитных полях, дополнительно ограничили ее только двумя из этих танцевальных пар, обе из которых образуют вихрь и указывают на бурный топологический танец.
«Что интересно, так это то, что с учетом ограничений того, что мы видели экспериментально, наша лучшая теория указывает на уверенность в том, что сверхпроводящее состояние является топологическим», – говорит Паллионе.
Если природа сверхпроводимости в материале топологическая, сопротивление все равно будет стремиться к нулю в объеме материала, но на поверхности произойдет нечто уникальное: появятся частицы, известные как моды Майораны, и образуют жидкость, которая не является сверхпроводник. Эти частицы также остаются на поверхности, несмотря на дефекты материала или небольшие нарушения окружающей среды.
Исследователи предположили, что благодаря уникальным свойствам этих частиц они могут стать хорошей основой для квантовых компьютеров. Кодирование квантовой информации в несколько разнесенных майоранов делает информацию практически невосприимчивой к локальным возмущениям, которые до сих пор были бичом квантовых компьютеров.
Команда Анлаге хотела исследовать поверхность UTe2 более непосредственно, чтобы увидеть, могут ли они обнаружить следы этого моря Майораны. Для этого они направили микроволны на кусок UTe2 и измерили микроволны, выходящие с другой стороны.
Они сравнили результат с образцом и без него, что позволило им одновременно проверить свойства объема и поверхности.
Поверхность оставляет отпечаток на мощности микроволн, что приводит к выходу, который колеблется вверх и вниз синхронно с входом, но слегка приглушен.
Но поскольку основная масса является сверхпроводником, она не оказывает сопротивления микроволнам и не изменяет их силу. Вместо этого он замедляет их, вызывая задержки, из-за которых выходное колебание вверх и вниз не синхронизируется с входом. Глядя на несинхронизированные части отклика, исследователи определили, сколько электронов внутри материала участвует в парном танце при различных температурах. Они обнаружили, что поведение согласуется с круговыми танцами, предложенными командой Паллионе.
Возможно, более важно то, что синхронизированная часть микроволнового отклика показала, что поверхность UTe2 не является сверхпроводящей. Это необычно, поскольку сверхпроводимость обычно заразительна: размещение обычного металла рядом со сверхпроводником распространяет сверхпроводимость на металл.
Но поверхность UTe2, похоже, не улавливала сверхпроводимость из массы – как и ожидалось для топологического сверхпроводника – а вместо этого реагировала на микроволны так, как раньше не наблюдалось.
«Поверхность ведет себя иначе, чем любой сверхпроводник, на который мы когда-либо смотрели», – говорит Анлаге. "И тогда возникает вопрос:" Какова интерпретация этого аномального результата? "?И одна из интерпретаций, которая согласуется со всеми другими данными, заключается в том, что у нас есть это топологически защищенное состояние поверхности, которое похоже на оболочку вокруг сверхпроводника, от которой невозможно избавиться."
Может возникнуть соблазн сделать вывод, что поверхность UTe2 покрыта морем майоранских мод, и заявить о победе.
Однако экстраординарные заявления требуют экстраординарных доказательств. Анлаге и его группа пытались придумать всевозможные альтернативные объяснения того, что они наблюдали, и систематически исключали их, от окисления на поверхности до света, падающего на края образца. Тем не менее, возможно, еще предстоит найти удивительное альтернативное объяснение.
«В затылке вы всегда думаете:« О, может быть, это были космические лучи »или« Может быть, это было что-то еще », – говорит Анлаге. "Вы никогда не сможете на 100% исключить любую другую возможность."
Со стороны Паллионе, он говорит, что дымящийся пистолет будет не чем иным, как использованием поверхностных режимов Майораны для выполнения квантовых вычислений. Однако, даже если на поверхности UTe2 действительно есть куча режимов Майораны, в настоящее время нет простого способа изолировать их и управлять ими. Это может быть более практично с тонкой пленкой UTe2 вместо кристаллов (которые легче производить), которые использовались в этих недавних экспериментах.
«У нас есть предложения по созданию тонких пленок», – говорит Паллионе. "Поскольку это уран и он радиоактивен, для этого требуется какое-то новое оборудование. Следующей задачей будет действительно попытаться увидеть, сможем ли мы выращивать пленки. И тогда следующей задачей будет попытаться сделать устройства.
Так что на это потребуется несколько лет, но это не безумие."
Окажется ли UTe2 долгожданным топологическим сверхпроводником или просто голубем, который научился плавать и крякать, как утка, и Паллионе, и Анлаге с нетерпением ждут, когда узнают, какой материал припасен.
«Вполне очевидно, что в материале много классной физики», – говорит Анлаге. «Является ли это Майорана на поверхности или нет, это, безусловно, важный вопрос, но изучение новой физики является самым захватывающим моментом."