Физики открыли уникальные свойства сверхпроводника толщиной в один атомный слой
Физики из МИТ экспериментально доказали, что самый тонкий сверхпроводник обладает уникальными свойствами. Ему уже прочат применение в области медицинской диагностики, квантовых вычислений и транспортировки энергии. Об этом пишет журнал Nature Communications.
Предмет исследований относится к классу сверхпроводников, которые становятся сверхпроводящими при температурах, на порядок превышающих их обычные аналоги, что упрощает их практическое применение. Обычные сверхпроводники работают только при температурах около -263,15 градусов Цельсия.
Однако эти так называемые высокотемпературные сверхпроводники до сих пор полностью не изучены. «Их микроскопические возбуждения и динамика необходимы для понимания сверхпроводимости, но после 30 лет исследований многие вопросы все еще остаются открытыми», - говорит Риккардо Комин, доцент кафедры физики в Массачусетском технологическом институте.
В 2015 году ученые открыли новый вид высокотемпературного сверхпроводника: лист селенида железа толщиной всего в один атомный слой, способный к сверхпроводимости при температуре -208,15 градуса Цельсия. Напротив, массивные образцы из того же материала сверхпроводят при гораздо более низкой температуре (-265,15 градуса Цельсия). Открытие вызвало целый шквал расследований.
В обычном металле электроны ведут себя так же, как отдельные люди, танцующие в комнате. В сверхпроводящем металле электроны движутся парами, как пары в танце. И все эти пары движутся в унисон, как если бы они были частью квантовой хореографии, что в конечном итоге привело к созданию своего рода электронной сверхтекучей жидкости.
Ученым давно известно, что в обычных сверхпроводниках «клей», удерживающий электроны вместе, образуется в результате движения атомов внутри материала. «Если вы посмотрите на твердое тело, сидящее на столе, кажется, что он ничего не делает», - говорит Комин. Однако многое происходит в наномасштабе. Внутри этого материала электроны летают во всех возможных направлениях, а атомы дребезжат; они вибрируют. В обычных сверхпроводниках электроны используют энергию, запасенную при движении атома, для образования пар.
«Клей», стоящий за соединением электронов в высокотемпературных сверхпроводниках, иной. Ученые предположили, что он связан с определенным свойством электронов - спином. «Вращение можно рассматривать как элементарный магнит», - рассказывает ассистент физика из Брукхейвенской национальной лаборатории Джонатан Пеллициари. Идея состоит в том, что в высокотемпературном сверхпроводнике электроны могут забирать часть энергии от этих спинов. И эта энергия - и есть тот «клей», который они используют для создания пары.
До сих пор большинство физиков думали, что невозможно обнаружить или измерить спиновые возбуждения в материале толщиной всего лишь в атомный слой. Но физики не только обнаружили спиновые возбуждения, но, среди прочего, они также показали, что спиновая динамика в ультратонком образце резко отличается от динамики спина в массивном образце. В частности энергия флуктуирующих спинов в ультратонком образце была намного выше - в четыре или пять раз, чем энергия спинов в массивном образце. Для исследования использовался прибор для резонансного неупругого рассеяния рентгеновских лучей (RIXS).
«Это первое экспериментальное доказательство наличия спиновых возбуждений в атомарно тонком материале», - говорит Пеллициари.
Источник