Международная группа физиков впервые получила прямые изображения квантового взаимодействия частиц, лежащего в основе явления сверхпроводимости. Исследование, результаты которого опубликованы в журнале Physical Review Letters, указывает на неполноту классической теории Бардина – Купера – Шриффера (БКШ), описывающей поведение сверхпроводящих материалов на протяжении последних семидесяти лет. Согласно общепринятой модели, электроны в состоянии сверхпроводимости объединяются в пары и движутся независимо друг от друга, обеспечивая протекание тока с нулевым сопротивлением при экстремально низких температурах.
В ходе эксперимента ученые из Национального центра научных исследований Франции (CNRS) и Института Флэтайрон использовали газ из атомов лития, охлажденный до температур, лишь на несколько миллиардных долей градуса превышающих абсолютный ноль. В таком состоянии вещество образует ферми-газ, в котором атомы имитируют поведение электронов. Подобная система позволила исследователям наблюдать за квантовыми процессами в контролируемой среде, где атомы выступают в роли дублеров элементарных частиц.
Ключевым открытием стало обнаружение скоординированного движения образовавшихся пар. Прямые снимки зафиксировали, что частицы не перемещаются случайным образом, а учитывают положение соседних пар, сохраняя между собой определенную дистанцию. Это коллективное поведение не было предсказано теорией БКШ, за которую в 1972 году была присуждена Нобелевская премия по физике. По словам ведущего автора исследования Тарика Ефсаха, существующая теоретическая база дает лишь общее описание процесса, не учитывая внутреннюю динамику взаимодействия внутри квантовой системы.
Для подтверждения экспериментальных данных ученые провели детальное компьютерное моделирование, которое полностью совпало с результатами наблюдений. Выявленная упорядоченность пар атомов напоминает синхронное движение танцоров, которые не только действуют в паре, но и следят за перемещениями других участников, чтобы избежать столкновений. Новые данные позволяют глубже понять механизмы работы высокотемпературных сверхпроводников, открытых в 1980-х годах, принцип действия которых до сих пор не имеет исчерпывающего объяснения.
Понимание фундаментальных принципов взаимодействия частиц в ферми-газах необходимо для разработки новых материалов, способных сохранять свойства сверхпроводимости при комнатной температуре. Успех в этой области может привести к качественным изменениям в технологиях передачи электроэнергии и производстве вычислительной техники, позволив создавать устройства с минимальным тепловыделением и отсутствием энергетических потерь.
