Нарушение симметрии во времени в высокотемпературных сверхпроводниках

Исследователи из Технологического университета Чалмерса пришли к тому, как симметрию обращения времени можно нарушить в одном из классов сверхпроводящих материалов.

«Симметрии являются важным аспектом при описании природы, - сказал Микаэль Фогелстрем (Mikael Fogelström), который является профессором теоретической физики в Технологическом университете Чалмерса. - Мяч выглядит круглым независимо от того, как мы его вращаем. Таким образом, он имеет вращательную симметрию. Таким же образом, большинство материалов имеют симметрии, которые описывают, как материалы выглядят и каковы их свойства. Если одна или несколько симметрий нарушаются, это свидетельствует о фазовом переходе в новое состояние. Когда материал становится магнитным, наиболее абстрактная симметрия, известная как симметрии обращения времени, нарушается».

В 1986 г. ученые обнаружили, что семейство перовскитов, которые имеют двумерные медно-оксидные плоскости, становится сверхпроводящим при относительно высоких температурах. Также довольно быстро было установлено путем экспериментов, что сверхпроводящая фаза нарушает симметрию кристалла, и что материал был необычным в этом отношении.

Теоретики размышляли, можно ли в материалах также нарушить симметрию обращения времени и получить спонтанную намагниченность. Эксперименты, в первую очередь связанные с электронным транспортом, показали, что такой случай встречался, в то время как другая категория экспериментов, направленных на непосредственные измерения спонтанной намагниченности, показали отсутствие эффекта.

«Наша работа привела к новому механизму для нарушения симметрии обращения времени в высокотемпературных сверхпроводниках, - сказал Томас Лефвандер (Tomas Löfwander), который является одним из исследователей новых эффектов. - Мы считаем, что это, наверное, уже наблюдалось, и что две серии экспериментов не противоречат друг другу».

Открытие исследователей основывается на программном пакете, который разработал Микаэль Хоканссон (Mikael Håkansson). Пакет ПО использует массовый параллелизм для вычислений, которые могут быть выполнены на графических процессорах, или GPU.

«Время, необходимое для выполнения довольно требовательных вычислений, было значительно сокращено, и мы были в состоянии сосредоточиться больше на физике и моделировать более реалистичные системы, - объяснил Микаэль Хоканссон. - В то же время, я разработал инструмент для обработки и визуализации больших объемов данных, которые генерирует программное обеспечение».

Вычислительный инструмент позволил ученым исследовать случаи, когда в кольце из сверхпроводящего кристалла происходит переход в сверхпроводящую фазу. Как только температура становится ниже пороговой, вдоль поверхности спонтанно формируется периодическая структура вихрей в форме ожерелья. Эти вихри, в свою очередь, вызывают спонтанный магнитный поток, который изменяет направление на масштабе длины в несколько десятков нанометров.

«Мы считаем, что новые измерения магнитометрами с чрезвычайно хорошим разрешением, которые известны как нано-SQUID, будут в состоянии дать немедленные экспериментальные подтверждения наших результатов», - сказал Микаэль Фогелстрем.

Показано, что путь к нарушению симметрии обращения времени для d-волновых сверхпроводников проходит через образование дробных вихрей по периметру материала, где соседние вихри имеют противоположную циркуляцию тока. Эта картина вихрей является результатом спектральной перестройки токопроводящих состояний вблизи краев