Физики впервые получили куперовскую пару электронов без эффекта сверхпроводимости

Схематическая диаграмма одноэлектронного транзистора. Длинная зеленая линия справа - затвор. Две зеленые линии, соединенные с желтыми структурами - исток и сток транзистора. Квантовая (нано)точка - это маленькая изолированная зеленая линия между истоком и стоком

Иллюстрация: Guanglei Cheng et al. / Nature

Международная команда физиков под руководством Джереми Леви из Университета Питтсбурга впервые получила куперовскую пару электронов вне явления сверхпроводимости. Это открытие подтвердило предсказанный еще в 1969 году эффект. Связанные в пары электроны были обнаружены в кристаллах титаната стронция (SrTiO3) при помощи одноэлектронного транзистора. Работа опубликована в журнале Nature.

В обычном случае в сверхпроводниках (материалах, которые при определенных условиях приобретают сверхпроводящие свойства) электроны с противоположным спином движутся через атомную решетку вещества вместе, образуя так называемые куперовские пары. Этот эффект возникает вследствие того, что один электрон пролетая на высокой скорости между положительно заряженными ионами кристаллической решетки как бы на время вызывает среди них возмущение, как бы вытягивая их на себя. Эти ионы движутся гораздо медленнее электрона и не успевают его притянуть. Затем они возвращаются на свои исходные позиции, но на какое-то время в месте пролета первого электрона возникает положительный потенциал. Этот потенциал позволяет еще одному электрону быстро и с гораздо меньшими энергетическими затратами проскочить вслед первому электрону. Таким образом, они всегда действуют взаимосвязано.

Эти пары электронов взаимодействуют с другими парами, образуя конденсат, из которого отдельные электроны не могут быть легко рассеяны. Куперовские пары лежат в основе объяснения явления сверхпроводимости на микроуровне – теории Бардина-Купера-Шриффера. Единственная загвоздка – чтобы этот механизм работал, электроны должны быть относительно близко друг к другу. В титанате стронция это не так. Он обладает довольно низкой плотностью электронов и становится сверхпроводником лишь ниже критической температуры (Tc)  в 300 милликельвинов. Однако команде Джереми Леви удалось получить доказательства наличия в титанате стронция куперовских пар электронов при температурах значительно выше критической (Tc).

Для этого они сделали одноэлектронный транзистор из титаната стронция на подложке из алюмината лантана (LaAlO3), в котором исток был наноразмера, а затвор и сток транзистора разделяла квантовая точка. Этого удалось достичь, используя острый зонд-проводник атомно-силового микроскопа.

Далее, изменяя напряжение в затворе, физики могли добавлять или удалять электроны один за другим – в квантовую точку и из нее. Параллельно они засекали, как изменяется проводимость между истоком и стоком в соответствии с напряжением в затворе. Когда плотность электронов в квантовой точке была достаточно высокой, а напряженность электрического поля низкой – система вела себя как сверхпроводник. Однако когда плотность электронов понижалась, исследователи наблюдали серию повторяющихся пиков и провалов в проводимости, которую можно проинтерпретировать как добавление или удаление одного электрона в транзисторе.

Затем ученые применили магнитное поле. При индукции магнитного поля в 3 тесла, каждый пик в проводимости, неожиданно разделился на два почти последовательных пика. Это значило, что электроны не входят и выходят из транзистора поодиночке – они движутся взаимодействующими парами. Из этого наблюдения следовало, что даже если система не ведет себя как сверхпроводник, в ней образуются куперовские пары взаимосвязанных электронов.

Еще в 1969 году физик из NASA Дэвид Иглс вычислил свойства некоего гипотетического материала, который, посредством неопределенного физического механизма, соединял электроны в пары без образования конденсата. Также он обнаружил, что если этот материал охладить до критической температуры (Tc), то пары электронов смогут образовать конденсат и материал превратится в сверхпроводник. Этот гипотетический материал так до сих пор и не был обнаружен, однако подобный физический механизм, как предполагают, является возможным объяснением сверхпроводимости при высоких температурах у купратов.

Физики из команды Леви как раз ставят себе следующей задачей исследовать детально физический механизм, позволяющий образоваться парам электронов вне явления сверхпроводимости. Возможно, открытый эффект поможет в создании сверхпроводников, работающих при комнатной температуре, которая на 160 градусов выше чем критическая (Tc).


Даниил Кузнецов


Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.