Фізики створили новий вид матерії. Готуємося до дешевої енергії, летючих автомобілів і квантових комп’ютерів

Першою теорією, яка пояснювала надпровідність, є теорія Бардіна — Купера — Шриффера (теорія БКШ). Згодом вона отримала загальне визнання і в 1972 році була удостоєна Нобелівської премії. Головна роль в теорії відведена куперівській парі електронів — двом взаємодіючим електронам, які можна назвати «протилежностями, що притягуються» завдяки фонону. Звучить страшно, але зараз стане зрозуміліше.

Електрон — негативно заряджена субатомна частка, і зі шкільних уроків фізики ми знаємо, якщо до нього в пару приставити ще один електрон, вони будуть сильно відштовхуватися один від одного. Як і будь-які однаково заряджені частинки.

Однак якщо другий електрон володітиме іншим спіном, напрямок його руху буде протилежним першому, а саму пару охолодити практично до абсолютного нуля і додати до неї фонон, картинка виглядає зовсім інакше.

Завдяки фононному механізму взаємодії електрони не відштовхують один одного і починають синхронізувати швидкість свого руху. В такому випадку струм, що проходить крізь них, не буде розсіюватися, а сама пара електронів може втратити свій електричний опір, ставши надпровідником. Вважається, що ці пари можна вважати бозе-частинками, здатними утворювати конденсат Бозе-Ейнштейна.

У 2020 році команда японських фізиків довела, що конденсат Бозе-Ейнштейна може використовуватися як надпровідник.

Чогось схожого домоглася команда вчених під керівництвом фізика-теоретика Вадима Гриненка з Технічного університету Дрездена — однак вони збільшили складність свого завдання. Їх дослідження було опубліковано в журналі Nature Physics.

Вони працювали з шостою гіпотетичною формою матерії — ферміонним конденсатом. Досі вважалося, що надпровідниками можуть бути лише електронні пари, а формування чотириферміонного конденсату — електронних квадруплетів — було лише теорією, однак останні експерименти вчених показали, що це може бути частиною нашої реальності.

Щоб електрони утворили чотириферміонний конденсат, потрібно щось, що не давало б парам елементарних частинок формувати конденсат Бозе-Ейнштейна, а також не давало їм рухатися без опору. Однак це щось повинно було допускати формування цього стану за наявності чотирьох електронів.

Теорія БКШ не допускала такої поведінки. Однак у 2018 році Гриненко виявив перші ознаки електронних квадруплетів, що дозволило фізикам продовжити роботу над своїм припущенням. Через три роки досліджень вони все-таки змогли створити нову форму матерії в надпровідний матеріал на основі заліза — Ba1-xKxFe2As2.

Під час експериментів фізики змогли порушити симетрію щодо обернення часу — так звану Т-симетрію. Відповідно до неї, заміна виразів часу на від'ємне значення (t на -t) в формулах може запускати ту ж подію в зворотному напрямку. Тобто, нова формула буде описувати подію, в якому час тече назад. Проте, все фундаментальні закони фізики нікуди не подінуться.

Це правило працює і з надпровідниками — якщо «запустити» час назад, матеріал все одно залишиться надпровідником, якщо він був ним і за «звичайного» часу. Однак чотириферміонний конденсат працює інакше, адже звернення часу змінює його стан.

Вчені і раніше припускали, що далеко не всі надпровідники володіють симетрією і стабільністю, які очікувалися від цих матеріалів. А це означає, що подібні альтернативні стани матерії можуть бути не унікальними — і лише чекають свого відкриття.

«Ймовірно, буде потрібно багато років досліджень, щоб повністю зрозуміти цей стан. Експерименти відкривають нові властивості, пов’язані з його реакцією на температурні градієнти, магнітні поля і ультразвук, в яких нам ще належить розібратися», — каже Єгор Бабаєв зі шведського Королівського технологічного інституту, один із співавторів дослідження.

Зараз про це говорити ще досить рано, але чотириферміонний конденсат цілком може стати великим проривом для фізиків, які працюють з надпровідниками. Потенційно нова форма матерії допоможе вченим поліпшити роботу надпровідників, адже зараз надпровідникам потрібна дуже низька температура для функціонування. Властивості ферміонного конденсату можуть дозволити матеріалам зберегти надпровідність навіть за кімнатної температури.

А це, своєю чергою, призведе до великого технологічного прориву — ми зможемо використовувати їх для виробництва більш дешевої і чистої електроенергії, квантових комп’ютерів і навіть різних футуристичних технологій на кшталт летючих автомобілів.