Прорыв в квантовой физике: уникальная сверхпроводимость металлов Кагоме

Исследователи из Вюрцбургского университета совместно с международной командой ученых совершили значимый прорыв в области квантовой физики, обнаружив уникальный тип сверхпроводимости в металлах Кагоме . Эти материалы, названные в честь своей звездчатой кристаллической структуры, напоминающей традиционное японское плетение, объединяют в себе удивительные электронные, магнитные и сверхпроводящие свойства, что делает их перспективными кандидатами для использования в будущих квантовых технологиях.

Структура металлов Кагоме и их особенные свойства

На протяжении последних пятнадцати лет материалы Кагоме привлекали внимание ученых благодаря своей необычной кристаллической структуре, похожей на узор японского плетения корзин. Эта структура придает материалам уникальные физические свойства, позволяя им проявлять экзотические квантовые эффекты. В 2018 году исследователям удалось впервые синтезировать металлические соединения с этой структурой в лабораторных условиях, что открыло путь к более глубокому изучению их свойств.

Металлы Кагоме, такие как калий ванадий сурьма (KV3Sb5), обладают необычными электронными характеристиками. В этих материалах электроны могут формировать так называемые "волны плотности заряда" — распределение электронов, напоминающее волновые колебания, которое уже само по себе является интересным квантовым феноменом. Однако последние открытия показали, что при еще более низких температурах происходит нечто еще более удивительное.

Прорыв в изучении сверхпроводимости

Команда профессора Ронни Томале, возглавляющего кафедру теоретической физики в Вюрцбургском университете и входящего в исследовательский кластер ct.qmat, впервые предсказала, что в металлах Кагоме может возникнуть особый тип сверхпроводимости. Этот тип сверхпроводимости связан с волнообразным распределением пар Купера — пар электронов, которые образуются при крайне низких температурах и играют ключевую роль в возникновении сверхпроводимости.

Пары Купера, названные в честь физика Леона Купера, действуют коллективно, формируя квантовое состояние, которое может двигаться через материал без сопротивления. Ранее считалось, что эти пары всегда распределяются равномерно по всему материалу. Однако новое исследование, результаты которого были опубликованы в журнале Nature, продемонстрировало, что в металлах Кагоме эти пары могут распределяться и по волновому принципу, что существенно меняет представление о механизмах сверхпроводимости.

Волновая природа сверхпроводимости

Доктор Хендрик Хоуманн, один из ключевых участников теоретических исследований, объясняет , что в квантовой физике давно известен феномен плотности пар — особая форма сверхпроводящего конденсата. Аналогично тому, как пар конденсируется в жидкость при охлаждении, в металлах Кагоме электроны при температурах около -193 градусов Цельсия реорганизуются и распределяются волнообразно внутри материала. При дальнейшем охлаждении до -272 градусов (почти абсолютный ноль), электроны образуют пары Купера, которые конденсируются в квантовую жидкость и также распространяются волнами через материал, обеспечивая сверхпроводимость без сопротивления.

Эта волнообразная природа сверхпроводимости в металлах Кагоме открывает новые возможности для создания квантовых устройств с уникальными свойствами. Такие устройства могут обладать значительно более высокой энергоэффективностью и производительностью по сравнению с традиционными сверхпроводящими материалами.

Планы на будущее: новые исследования и применения

Исследователи из кластера ct.qmat сейчас активно изучают другие металлы Кагоме, в которых пары Купера могли бы проявлять пространственную модуляцию без возникновения волн плотности заряда, предшествующих сверхпроводимости. Это позволит создать материалы с еще более уникальными свойствами, которые могут стать основой для новых квантовых устройств, способных работать при значительно более высоких температурах.

Важным шагом в этом направлении стал эксперимент , проведенный в Южном научно-техническом университете в Шэньчжэне, Китай. Под руководством Цзя-Синь Иня команда ученых использовала сканирующий туннельный микроскоп с сверхпроводящим наконечником, разработанным на основе эффекта Джозефсона, чтобы напрямую наблюдать распределение пар Купера в металле Кагоме. Этот эксперимент подтвердил теоретические предположения профессора Томале и стал важной вехой на пути к созданию новых типов сверхпроводящих компонентов.

Новые горизонты для сверхпроводящих технологий

Хотя сегодня эффект сверхпроводимости в металлах Кагоме наблюдается только на атомном уровне, ученые уверены, что в будущем удастся создать сверхпроводники, работающие на макроскопическом уровне. Это позволит разрабатывать новые сверхпроводящие компоненты, такие как диоды, работающие без потерь энергии, что откроет двери для создания более эффективных и производительных квантовых устройств.

В настоящее время, наряду с установкой самого длинного сверхпроводящего кабеля в мире в Мюнхене, продолжаются интенсивные исследования в области сверхпроводящих электронных компонентов. Первые сверхпроводящие диоды уже были разработаны в лабораториях, однако они требуют использования комбинации различных сверхпроводящих материалов. В отличие от них, уникальные сверхпроводники Кагоме, благодаря своей внутренней пространственной модуляции пар Купера, могут сами по себе функционировать как диоды, что открывает захватывающие перспективы для развития сверхпроводящей электроники и создания цепей без потерь.

Таким образом, открытия в области металлов Кагоме не только расширяют наши фундаментальные знания о квантовой физике, но и приближают нас к созданию новых технологий, которые могут революционизировать многие отрасли промышленности, от энергетики до высокопроизводительных вычислений.