Рентгеновская спектроскопия никелатов подтвердила современную теорию сверхпроводимости
Физики из Австрии и Японии применили метод рентгеновской спектроскопии для исследования электронной структуры никелата. В материалах этого типа ученые надеются достичь высокотемпературной сверхпроводимости. Результаты эксперимента хорошо совпали с предсказаниями, сделанными в рамках теории среднего поля. Исследование опубликовано в Physical Review X, а препринт работы выложен на сайт arXiv.org.
Сверхпроводниками называются материалы, в которых при достаточно низких температурах исчезает электрическое сопротивление. Обычно эта критическая температура близка к абсолютному нулю, и важнейшей практической и теоретической задачей является исследование высокотемпературных сверхпроводников. Долгое время самым перспективным классом материалов для достижения высокотемпературной сверхпроводимости считались купраты. Эти сверхпроводники состоят из слоев оксида меди, чередующихся со слоями оксидов других металлов. В материалах этого класса удалось достичь критической температуры 133 кельвин.
Около 20 лет назад ученые предположили, что еще более перспективными сверхпроводниками могут быть никелаты. Они аналогичны купратам, но вместо атомов меди содержат никель. В 2019 году физики впервые наблюдали сверхпроводимость в материале этого класса при температуре 9–15 кельвин. Сверхпроводимость при температурах около 30 кельвин и ниже хорошо описывается теорией Бардина – Купера – Шриффера, но она перестает работать при более высоких критических температурах. Чтобы выяснить, в каких никелатах возможна высокотемпературная сверхпроводимость, нужна другая теория сверхпроводимости.
Современная теория сверхпроводимости в никелатах основана на динамической теории среднего поля. Для проверки правильности этого описания группа физиков из Австрии и Японии под руководством Яна Кунеша (Jan Kuneš) из Венского технического университета изучила электронное строение двух никелатов с помощью метода рентгеновской спектроскопии и сравнила результаты с выводами теории. Суть экспериментального метода состоит в облучении поверхности вещества рентгеновскими лучами и извлечении информации об электронном строении материала по спектру тех электронов, которые были выбиты из вещества фотонами, а также спектру поглощения рентгеновских лучей материалом.
Одним из важнейших входных параметров в теории среднего поля является минимальная энергия, которую необходимо сообщить электрону, чтобы он перескочил с атома никеля на атом кислорода. Напрямую измерить эту величину очень тяжело, и ее нахождение с помощью метода рентгеновской спектроскопии является одним из основных экспериментальных результатов работы. Ученые предсказали результаты эксперимента для разных значений энергии перескока электрона с помощью теории среднего поля и сравнили с данными измерений для никелатов LaNiO2 и NdNiO2 (см. рисунок). Требуя максимально близкого совпадения экспериментальных данных с предсказаниями теории, ученые смогли найти энергию перескока, которая для обоих материалов оказалась равна приблизительно 5 электронвольтам.
Качественно предсказания теории довольно хорошо совпали с результатами эксперимента, однако количественно согласие не очень хорошее, и исследователи не смогли объяснить это расхождение в рамках теории среднего поля. Тем не менее ученые рассчитывают, что качественное согласие теории и эксперимента будет иметь место и для других никелатов, и это поможет установить, в каком конкретно сверхпроводнике из этого класса материалов может быть достигнута высокотемпературная сверхпроводимость.
Ранее мы рассказывали об открытии сверхпроводимости при комнатной температуре, но сверхвысоком давлении в твердом материале на основе сероводорода и метана.
Андрей Фельдман
Для этого их разнесли более чем на 30 метров
Физики из Швейцарской высшей технической школы Цюриха с коллегами из нескольких стран смогли впервые провести проверку неравенств Белла без лазеек с помощью сверхпроводящих кубитов. Для этого они разнесли криостаты на 30 метров и добились очень короткого (не более 50 наносекунд) времени считывания. Все вместе это позволило гарантировать, что никакой гипотетический скрытый сигнал не смог бы повлиять на результаты проверки. Исследование опубликовано в Nature. Эйнштейну не нравилась вероятностная интерпретация квантовой механики. Вместе с Подольским и Розеном он в 1935 году написал статью с описанием парадокса — мысленного эксперимента с двумя разнесенными частицами, квантовая связь между которыми якобы нарушала принцип причинности. В 1964 году Джон Белл предложил математический способ, как с помощью неравенств доказать, на самом ли деле квантовая механика управляется вероятностными законами, или в ее основе лежат некие, еще не понятые физиками скрытые параметры. Экспериментальная проверка неравенств Белла началась лишь спустя десятилетия, подтвердив ошибочность теории скрытых параметров. Подробнее об этой истории мы писали в материале «Бог играет в эти игры», посвященному Нобелевской премии по физике 2022 года. Проверка неравенств Белла — это не единомоментный процесс. Каждая следующая экспериментальная реализация оставляла небольшие лазейки, которыми можно было бы объяснить опыт, не отказываясь от локальной теории скрытых переменных. Но с 2015 года физикам наконец-то удалось закрыть их все, сначала с помощью дефектов в алмазе, затем фотонов и плененных атомов. Теперь же очередь дошла и до проверок без лазеек на сверхпроводящих кубитах. Это случилось благодаря Зимону Шторцу (Simon Storz) из Швейцарской высшей технической школы Цюриха и его коллегам из Испании, Канады, США, Франции и Швейцарии. Им удалось провести проверку для кубитов, разнесенных более, чем на 30 метров. Благодаря такому большому расстоянию и высокой скорости считывания физики показали, что никакой гипотетический скрытый сигнал не смог бы повлиять на исход проверки, даже двигаясь от одного кубита к другому на световой скорости. С самых первых белловских экспериментов физики находили и закрывали множество лазеек. Например, недостатком эксперимента на фотонах долгое время было малое число запутанных пар. Из-за этого всегда можно было утверждать, что набранная статистика отражает лишь свойства некоторого подмножества от полного множества, в котором неравенства выполняются. Однако в конечном счете гипотезу о скрытых параметрах можно отвергнуть, если гарантировать, что никакой скрытый сигнал — во всяком случае, на световой или досветовой скорости — не успеет передаться от одного измерения до другого. Для этого кубиты должны быть достаточно далеко, а время считывания должно быть достаточно коротким. Наконец, физики обязаны накопить приличную статистику измерений, прежде чем делать выводы. Решению этих технических задач для сверхпроводящей платформы была посвящена работа авторов. Такие кубиты основаны на способности тока находится в суперпозиции направлений течения в сверхпроводящем контуре. Для их запутывания необходимо передавать между кубитами микроволновые фотоны, причем канал их передачи также должен находится при сверхнизких температурах. Ученые справились со своей задачей, разместив свои криостаты в подземных помещениях. Ключом к успеху стало достижение времени считывания, равного 50 наносекундам, со степенью совпадения 98 процентов. Расчеты показали, что, достаточно будет разделить события проверки кубитов 33 метрами. В этом случае у физиков остается запас в 10 наносекунд, которого достаточно, чтобы закрыть лазейку — скрытый сигнал не успеет повлиять на результат. Чтобы минимизировать разрушение запутанности, переносимой микроволновыми фотонами по волноводу, физики упаковывали последний в 30-метровую трубу, в которой поддерживали температуру 50 милликельвин. Сами кубиты содержались при температуре в 20 милликельвин. Всего ученые провели четыре последовательных эксперимента, в каждом из которых было более миллиона тестов. В результате статистический параметр неравенства оказался равен S = 2,0747 ± 0,0033 — другими словами, неравенства Белла нарушаются со значимостью в 22 стандартных отклонения. Помимо самого факта белловской проверки без лазейки, работа авторов прокладывает технологический путь к построению распределенных квантовых сетей на основе сверхпроводящих кубитов. Недавно мы рассказывали об аналогичных успехах для ионных кубитов — там квантовую запутанность передали на 230 метров.