Физики обнаружили неожиданную связь между магнетизмом и так называемой псевдощелью – загадочной фазой материи, которая возникает в некоторых квантовых материалах непосредственно перед тем, как они становятся сверхпроводящими. Это открытие может помочь исследователям в разработке новых материалов с уникальными свойствами, включая высокотемпературную сверхпроводимость, позволяющую передавать электричество без потерь энергии.
Открытие стало результатом экспериментов с использованием квантового симулятора, охлажденного до температур, близких к абсолютному нулю. По мере охлаждения системы ученые заметили устойчивую закономерность в том, как электроны влияют на магнитную ориентацию соседних частиц. Эти взаимодействия формируют общее поведение материала. Работа представляет собой важный шаг к объяснению природы нетрадиционной сверхпроводимости и стала возможной благодаря сотрудничеству физиков-экспериментаторов из Института квантовой оптики Макса Планка в Германии и теоретиков, включая Антуана Жоржа, директора Центра вычислительной квантовой физики (CCQ) при Институте Флэтайрон в Нью–Йорке.
Явление сверхпроводимости изучается десятилетиями из–за его потенциала в таких технологиях, как передача энергии на большие расстояния и квантовые вычисления. Несмотря на это, у ученых до сих пор нет полного понимания механизмов ее возникновения, особенно в материалах, работающих при относительно высоких температурах. Во многих из них сверхпроводящее состояние возникает не напрямую, а через промежуточную стадию, известную как псевдощель. В этой фазе электроны ведут себя необычно, и для прохождения тока доступно меньше электронных состояний. Понимание псевдощели считается ключом к раскрытию тайны сверхпроводимости.
Для исследования этого поведения команда использовала модель Ферми–Хаббарда – общепринятую теоретическую основу, описывающую взаимодействие электронов в твердом теле. Вместо изучения реальных материалов исследователи воссоздали модель с помощью атомов лития, охлажденных до миллиардных долей градуса выше абсолютного нуля и упорядоченных в оптической решетке, созданной лазерным светом. С помощью квантового газового микроскопа, способного визуализировать отдельные атомы и определять их магнитную ориентацию, команда собрала более 35 000 детальных снимков, запечатлевших как положение атомов, так и их магнитные корреляции в широком диапазоне температур и уровней «допирования» – процесса удаления электронов из материала.
«Примечательно, что аналоговые квантовые симуляторы на основе ультрахолодных атомов теперь можно охладить до температур, при которых проявляются сложные коллективные квантовые явления», – отмечает Жорж. Данные выявили поразительный результат. «Магнитные корреляции следуют единому универсальному закону, если их сопоставить с определенной температурной шкалой, – объясняет ведущий автор Томас Шалопен из Института квантовой оптики Макса Планка. – И эта шкала сопоставима с температурой псевдощели». Это означает, что псевдощель тесно связана с тонкими магнитными структурами, которые сохраняются под маской кажущегося беспорядка.
Исследование показало, что взаимодействия электронов в этом режиме сложнее, чем простое спаривание, – они образуют более крупные, многочастичные коррелированные структуры. Даже один удаленный электрон может нарушить магнитный порядок на удивительно большой площади. В отличие от предыдущих работ, сфокусированных на парах электронов, это исследование измерило корреляции с участием до пяти частиц одновременно – уровень детализации, достигнутый лишь в немногих лабораториях мира.
Для теоретиков эти результаты служат новым важным ориентиром для моделей псевдощели. В более широком смысле, они приближают ученых к пониманию того, как высокотемпературная сверхпроводимость возникает из коллективного движения взаимодействующих электронов. «Раскрывая скрытый магнитный порядок в псевдощели, мы обнаруживаем один из механизмов, который в конечном итоге может быть связан со сверхпроводимостью», – заключает Шалопен. Работа также подчеркивает важность тесного сотрудничества между теоретиками и экспериментаторами, которое позволяет выявлять скрытые закономерности в поведении материи.
