Физики впервые наблюдали новую фазу материи — электронные квадруплеты
До сих пор физики находили в сверхпроводниках только электронные пары. Новое открытие показывает, что в таких материалах могут образовываться также конденсаты из четырех электронов
Образование так называемых «куперовских пар» из двух электронов обуславливает сверхпроводимость — состояние, при котором материал теряет сопротивление и может проводить электрический ток без потерь. Это происходит внутри материала в результате соединения двух электронов, обычно отталкивающихся друг от друга, в пары. При низких температурах в кристалле электроны становятся слабо связанными парами, что приводит к формированию прочного дальнего порядка.
За открытие таких электронных пар Леон Купер, Джон Бардин и Джон Шриффер получили Нобелевскую премию по физике в 1972 году. Но только в последние несколько лет ученые начали теоретизировать насчет структур из четырех электронов. По словам исследователей, для объединения фермионов в такой конденсат должно быть что-то, что предотвращает образование пар и их движение по материалу. Фактически, для этого нужно остановить движение электронов и заставить их сконденсироваться в структуры по 4 частицы.
Теория Бардина-Купера-Шриффера не допускала такого поведения, поэтому, когда исследователь из Дрезденского технического университета Вадим Гриненко обнаружил в 2018 году первые признаки конденсата из четырех фермионов, это бросило вызов общепринятой физической теории.
Затем последовали три года экспериментов и исследований в лабораториях нескольких учреждений, чтобы подтвердить полученные результаты. Ключевым среди сделанных наблюдений стало то, что образовавшиеся конденсаты спонтанно нарушают симметрию обращения времени. То есть, при замене параметра времени на его отрицательную величину в уравнениях, описывающих состояние этой системы, она будет вести себя совершенно по-другому, чем если бы время текло в «положительном направлении».
Если изменить направление времени, фундаментальные законы физики останутся в силе. Это справедливо и для типичных сверхпроводников: если повернуть стрелку времени вспять, типичный сверхпроводник все равно будет находиться в том же сверхпроводящем состоянии. Но в случае конденсата из 4 электронов, обращение времени переводит его в другое состояние. Теперь ученые планируют изучить этот конденсат более подробно.
Статья об открытии опубликована в журнале Nature Physics.