Физики создали новый вид материи. Готовимся к дешевой энергии, летающим автомобилям и квантовым компьютерам

Первой теорией, которая объясняла сверхпроводимость, является теория Бардина — Купера — Шриффера (Теория БКШ). Со временем она получила всеобщее признание и в 1972 году была удостоена Нобелевской премии. Главная роль в теории отведена куперовской паре электронов — двум взаимодействующим электронам, которые можно назвать «притягивающими противоположностями» благодаря фонону. Звучит страшно, но сейчас станет понятнее.

Электрон — отрицательно заряженная субатомная частица, и со школьных уроков физики мы знаем, если к нему в пару приставить еще один электрон, они будут сильно отталкиваться друг от друга. Как и любые одинаково заряженные частицы.

Однако если второй электрон будет обладать другим спином, направление его движения будет противоположным первому, а саму пару охладить практически до абсолютного нуля и добавить к ней фонон, картинка выглядит совсем иначе.

Благодаря фононному механизму взаимодействия электроны не отталкивают друг друга и начинают синхронизировать скорость своего движения. В таком случае проходящий сквозь них ток не будет рассеиваться, а сама пара электронов может потерять свое электрическое сопротивление, став сверхпроводником. Считается, что эти пары можно считать бозе-частицами, способными образовывать конденсат Бозе-Эйнштейна.

В 2020 году команда японских физиков доказала, что конденсат Бозе-Эйнштейна может использоваться в качестве сверхпроводника.

Чего-то похожего добилась команда ученых под руководством физика-теоретика Вадима Гриненко из Технического университета Дрездена — однако они увеличили сложность своей задачи. Их исследование было опубликовано в журнале Nature Physics.

Они работали с шестой гипотетической формой материи — фермионным конденсатом. До сих пор считалось, что сверхпроводниками могут быть лишь электронные пары, а формирование четырехфермионного конденсата — электронных квадруплетов — было лишь теорией, однако последние эксперименты ученых показали, что это может быть частью нашей реальности.

Чтобы электроны образовали четырехфермионный конденсат, нужно что-то, что не давало бы парам элементарных частиц формировать конденсат Бозе-Эйнштейна, а также не давало им двигаться без сопротивления. Однако это что-то должно было допускать формирование этого состояния при наличии четырех электронов.

Теория БКШ не допускала подобного поведения. Однако в 2018 году Гриненко обнаружил первые признаки электронных квадруплетов, что позволило физикам продолжить работу над своим предположением. Спустя три года исследований они все-таки смогли создать новую форму материи в сверхпроводящем материале на основе железа — Ba1-xKxFe2As2.

В ходе экспериментов физики смогли нарушить симметрию по отношению к обращению времени — так называемую Т-симметрию. Согласно ей, замена выражений времени на отрицательное значение (t на -t) в формулах может запускать то же событие в обратном направлении. То есть, новая формула будет описывать событие, в котором время течет назад. Тем не менее, все фундаментальные законы физики никуда не денутся.

Это правило работает и со сверхпроводниками — если «запустить» время вспять, материал все равно останется сверхпроводником, если он был им и при «обычном» времени. Однако четырехфермионный конденсат работает иначе, ведь обращение времени меняет его состояние.

Ученые и раньше предполагали, что далеко не все сверхпроводники обладают симметрией и стабильностью, которые ожидались от этих материалов. А это означает, что подобные альтернативные состояния материи могут быть не уникальными — и лишь дожидаются своего открытия.

«Вероятно, потребуется много лет исследований, чтобы полностью понять это состояние. Эксперименты открывают новые свойства, связанные с его реакцией на температурные градиенты, магнитные поля и ультразвук, в которых нам еще предстоит разобраться», — говорит Егор Бабаев из шведского Королевского технологического института, один из соавторов исследования.

Сейчас об этом говорить еще достаточно рано, но четырехфермионный конденсат вполне может стать большим прорывом для физиков, работающих со сверхпроводниками. Потенциально новая форма материи поможет ученым улучшить работу сверхпроводников, ведь сейчас сверхпроводникам требуется очень низкая температура для функционирования. Свойства фермионного конденсата могут позволить материалам сохранить сверхпроводимость даже при комнатной температуре.

А это, в свою очередь, приведет к большому технологическому прорыву — мы сможем использовать их для производства более дешевой и чистой электроэнергии, квантовых компьютеров и даже различных футуристических технологий вроде летающих автомобилей.