Эксперименты подтвердили новое состояние материи — электронный квадруплет

Основополагающий принцип сверхпроводимости гласит, что электроны образуют пары, однако, недавние открытия показали, что они могут также объединяться в четвёрки (квадруплеты).

Вчера в журнале Nature Physics опубликована статья физиков Королевского технологического института Стокгольма (Швеция), в которой представлено первое экспериментальное свидетельство существования квадруплетов.

Один из авторов, профессор Егор Бабаев, почти два десятка лет назад впервые заявил о возможности этого явления, а в статье, вышедшей восемь лет назад, он предсказал возникновение квадруплетов в железосодержащем полупроводнике Ba1−xKxFe2As2, где они в конце концов и были обнаружены.

Образование электронных пар было впервые описано в теории Леона Купера, Джона Бардина и Джона Шриффера, работа которых была удостоена Нобелевской премии в 1972 году. Обычно два электрона, которые являются отрицательно заряженными субатомными частицами, отталкиваются друг от друга, но при низких температурах в кристалле они становятся слабо связанными парами, создавая устойчивый дальний порядок. Токи электронных пар больше не рассеиваются от дефектов и препятствий, и проводник может потерять всё электрическое сопротивление, превратившись в новое состояние материи: сверхпроводник.

Для возникновения четвёрок фермионов должно быть что-то, что предотвращает конденсацию пар и препятствует их течению без сопротивления, но способствует конденсации квадруплетов. Теория Бардина-Купера-Шриффера не допускает такого поведения, поэтому, когда сотрудник Бабаева из Технического университета Дрездена, Вадим Гриненко, в 2018 году экспериментально обнаружил первые признаки квадруплетного конденсата, этим он бросил вызов общепринятому научному мнению.

Три последовавших за этим года были заполнены экспериментами и исследованиями в лабораториях нескольких учреждений, позволившими в итоге подтвердить сделанное открытие.

Ключевым среди сделанных наблюдений является то, что фермионные квадруплетные конденсаты спонтанно нарушают симметрию обращения времени.

Если изменить направление течения времени, фундаментальные законы физики останутся в силе, и сверхпроводник останутся сверхпроводниками. Однако четырёхфермионный конденсат инверсией времени переводится в другое состояние.

«Вероятно, понадобится много лет исследований, чтобы полностью понять это состояние, — говорит Бабаев. — Эксперименты поднимают ряд новых вопросов, обнаруживают множество других необычных свойств, связанных с его реакцией на температурные градиенты, магнитные поля и ультразвук, что ещё только предстоит лучше понять».