Скритият ред в квантовия хаос ни приближава до високотемпературната свръхпроводимост

Физици от Германия и САЩ се доближиха до получаването на високотемпературни свръхпроводници. Те са открили скрита връзка между магнетизма и т.нар. псевдослот – необичайно състояние на материята, което се появява в някои квантови материали при температури малко над прехода към свръхпроводящо състояние. Смята се, че разбирането на тази фаза е от ключово значение за разгадаването на механизма на високотемпературната свръхпроводимост.

Въпреки десетилетията изследвания в областта на свръхпроводимостта учените все още не разбират напълно как възниква явлението, особено при относително високи температури. В много високотемпературни материали свръхпроводящата фаза не възниква директно от обикновеното метално състояние. Първо, материалът навлиза в псевдоразрезно състояние. По време на тази фаза електроните се държат по неочакван начин и броят на наличните състояния за електрически поток намалява.

За да разкрият връзката между магнетизма и псевдоразстоянието, изследователите от Института „Макс Планк“ и Центъра за изчислителна квантова физика са използвали квантов симулатор, базиран на свръхстудени литиеви атоми, охладени до температури, близки до абсолютната нула. Вместо да изследват реални материали, те пресъздадоха модела на Ферми-Хъбард, като поставиха атомите в оптична решетка, формирана от лазерна светлина. Това им даде възможност да наблюдават електронните взаимодействия при условия, недостижими за конвенционалните експерименти.

Използвайки квантов газов микроскоп, способен да записва позицията и магнитната ориентация на отделните атоми, учените са направили повече от 35 000 подробни изображения на системата. Анализът на данните показа, че магнитните корелации в системата се подчиняват на един универсален закон, който зависи от определена температурна скала, пише Scitech Daily. Псевдопрорезът е тясно свързан със скрита магнитна подредба, която се запазва дори когато системата изглежда хаотична.

Изследването показа също, че електроните в този режим взаимодействат по по-сложен начин, отколкото се смяташе досега. Вместо да образуват прости двойки, те се организират в по-големи, корелирани групи от по няколко частици. Наличието дори на един-единствен примес може да наруши магнитния ред в поразително широк диапазон.

За разлика от предишни експерименти, които измерваха взаимодействията между два електрона едновременно, тази научна работа регистрира корелации, включващи до пет частици едновременно. Малко лаборатории в света са постигнали подобно ниво на детайлност.

Откриването на скрития магнитен ред в псевдослойната фаза доближава учените до разбирането на това как колективното движение на взаимодействащи си електрони води до високотемпературна свръхпроводимост. По-нататъшните експерименти ще бъдат насочени към още по-голямо охлаждане на системата и търсене на други форми на ред в квантовите материали.

Появата на високотемпературни свръхпроводници може да изведе електрониката и другите технологии на съвсем ново ниво. Международен екип от изследователи наскоро направи важна стъпка в тази посока: учените за първи път наблюдаваха „възлов метал“ – специално електронно състояние, което позволява по-добро разбиране на поведението на електроните в многослойна система, съдържаща мед и кислород.