Электронные четверки: эксперименты открывают образование нового состояния материи

Сверхпроводящий материал на основе железа, Ba_1-хK_ИксFe₂В качестве₂, установлен для экспериментальных измерений. Предоставлено: Вадим Гриненко, Федерико Кальерис.

Отчетность сегодня в Физика природы, Профессор Егор Бабаев и его сотрудники представили доказательства четырехкратного увеличения фермионов в серии экспериментальных измерений на материале на основе железа Ba_1-хK_ИксFe₂В качестве₂. Результаты последовали почти через 20 лет после того, как Бабаев впервые предсказал такое явление, и через восемь лет после того, как он опубликовал статью, предсказывающую, что это могло произойти в материале.

Спаривание электронов обеспечивает квантовое состояние сверхпроводимости, состояние проводимости с нулевым сопротивлением, которое используется в сканерах МРТ и квантовых вычислениях. Это происходит внутри материала в результате связывания двух электронов, а не отталкивания друг друга, как в вакууме. Это явление было впервые описано в теории Леона Купера, Джона Бардина и Джона Шриффера, работа которых была удостоена Нобелевской премии в 1972 году.

Так называемые куперовские пары — это, по сути, «притягивающие противоположности». Обычно два электрона, которые являются отрицательно заряженными субатомными частицами, сильно отталкиваются друг от друга. Но при низких температурах в кристалле они становятся слабо связанными парами, создавая устойчивый дальний порядок. Токи электронных пар больше не рассеиваются от дефектов и препятствий, и проводник может потерять все электрическое сопротивление, превратившись в новое состояние материи: сверхпроводник.

Лишь в последние годы теоретическая идея четырехфермионных конденсатов получила широкое распространение.

По словам Бабаева, для возникновения состояния четырехэлектронного увеличения фермионов должно быть что-то, что предотвращает конденсацию пар и препятствует их течению без сопротивления, в то же время позволяя конденсацию четырехэлектронных композитов.

Теория Бардина-Купера-Шриффера не допускала такого поведения, поэтому, когда экспериментальный сотрудник Бабаева из Технического университета Дрездена, Вадим Гриненко, обнаружил в 2018 году первые признаки фермионного конденсата, увеличивающего в четыре раза количество фермионов, это бросило вызов многолетнему общепринятому научному соглашению.

За этим последовало три года экспериментов и исследований в лабораториях нескольких учреждений, чтобы подтвердить открытие.

Бабаев говорит, что ключевым среди сделанных наблюдений является то, что фермионные четверные конденсаты спонтанно нарушают симметрию относительно обращения времени. В физике симметрия обращения времени — это математическая операция замены выражения для времени на его отрицательное значение в формулах или уравнениях, чтобы они описывали событие, в котором время бежит назад или все движения меняются местами.

Если изменить направление времени, фундаментальные законы физики останутся в силе. То же самое и с типичными сверхпроводниками: если стрелка времени перевернется, типичный сверхпроводник все равно останется в том же сверхпроводящем состоянии.

«Однако в случае четырехфермионного конденсата, о котором мы сообщаем, обращение времени переводит его в другое состояние», — говорит он.

«Вероятно, потребуется много лет исследований, чтобы полностью понять это состояние», — говорит он. «Эксперименты открывают ряд новых вопросов, обнаруживая ряд других необычных свойств, связанных с его реакцией на температурные градиенты, магнитные поля и ультразвук, которые еще предстоит лучше понять».