Исследователи из Корнелла визуализировали спин-триплетный кристалл

Ученые обнаружили новую фазу материи в топологических сверхпроводниках-кандидатах, которая может иметь значительные последствия для физики конденсированных сред и для области квантовых вычислений и спинтроники.

Исследователи из Объединения 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 джозефсоновских туннельных микроскопов (SJTM). Этот «спин-триплетный электрон-парный кристалл» представляет собой ранее неизвестное состояние топологической квантовой материи.

Результаты исследования, озаглавленные «Обнаружение волнового состояния парной плотности в UTe2», были опубликованы 28 июня в журнале Nature. Цянцян Гу, постдокторский исследователь, работающий в лаборатории физика Джей Си Сеамуса Дэвиса, заслуженного профессора Колледжа искусств и наук имени Джеймса Гилберта Уайта, руководил исследованием вместе с Джо Кэрроллом из Университетского колледжа Корка и Шуцю Вангом из Оксфордского университета.

Сверхпроводники являются топологическими, когда потенциал спаривания обладает нечетностью, что приводит к тому, что каждая электронная пара принимает спин-триплетное состояние, при котором оба электронных спина ориентированы в одном направлении. Топологические сверхпроводники являются объектом интенсивных исследований физиков, поскольку теоретически они могут стать материальной платформой для сверхстабильных квантовых компьютеров, говорит 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 новый экзотический материал дителлурид урана (UTe2) стал весьма перспективным кандидатом на эту классификацию. Однако параметр его сверхпроводящего порядка остается неуловимым, говорит Гу.

В 2021 году физики-теоретики начали предполагать, что UTe2 находится в состоянии топологической пары плотность-волна (PDW). До сих пор не было обнаружено ни одной подобной формы квантовой материи.

Проще говоря, PDW — это как стационарный танец парных электронов в сверхпроводнике, но пары образуют периодические кристаллические узоры в пространстве.

Наша команда в Корнелле обнаружила первый в истории PDW в 2016 году с помощью сверхпроводящего туннельного микроскопа со сканирующим джозефсоновским наконечником, который мы изобрели для этой цели, — сказал Гу.

С тех пор мы стали первыми исследователями SJTM при температурах в милликельвинах и с разрешением по энергии в микровольтах. В рамках проекта UTe2 мы непосредственно визуализировали пространственные модуляции потенциала сверхпроводящего спаривания на атомном уровне и обнаружили, что они модулируются точно так, как это предсказывается в состоянии PDW, поскольку плотность электронных пар периодически модулируется в пространстве. Мы обнаружили новое состояние квантовой материи — топологическую волну плотности пар, состоящую из спин-триплетных пар Купера.

Волны плотности куперовских пар — это форма электронной квантовой материи, в которой пары электронов застывают в сверхпроводящем состоянии PDW, а не образуют обычную «сверхпроводящую» жидкость, где все находятся в одном и том же свободно движущемся состоянии.

Открытие первого PDW в спин-триплетных сверхпроводниках является захватывающим, — заключил Гу.

Тяжелые фермионные сверхпроводящие соединения на основе урана представляют собой новый и экзотический класс материалов, которые являются перспективной платформой для реализации топологической сверхпроводимости. … Наше научное открытие также указывает на повсеместную природу этого интригующего квантового состояния в s-волновых, d-волновых и p-волновых сверхпроводниках и проливает свет на новые пути для идентификации таких состояний в широком спектре материалов.

09.07.2023