Nadprzewodnictwo ma sekretny wstęp. Elektrony wirują w pętlach, zanim prąd popłynie bez oporu

Zanim materiał przejdzie w stan nadprzewodzący, jego elektrony przechodzą przez nieznany dotąd etap – tworzą mikroskopijne pętle prądu, łamiąc symetrię odwrócenia czasu. Odkrycie fizyków z KAIST rzuca nowe światło na mechanizm jednego z najbardziej tajemniczych zjawisk w fizyce.

Metal o japońskim splocie

→ Czytaj też: Zaskakujące odkrycie w kamieniu z Iranu. Natura zrobiła to, czego fizycy nie potrafią

Związek CsV₃Sb₅ należy do rodziny materiałów zwanych metalami kagome. Swoją nazwę zawdzięczają strukturze atomowej, która przypomina tradycyjny japoński wzór plecionki – sieć trójkątów i sześciokątów. Taka geometria powoduje, że elektrony oddziałują tu znacznie silniej niż w zwykłych metalach, dając początek egzotycznym stanom kwantowym.

W niskich temperaturach CsV₃Sb₅ wykazuje jednocześnie fale gęstości ładunku i nadprzewodnictwo. Naukowcy od lat podejrzewali, że pomiędzy tymi dwoma stanami może kryć się dodatkowy etap organizacji elektronów. Badanie opublikowane w Nature Physics właśnie go ujawniło.

Prądy pętlowe, których nikt nie widział

→ Czytaj też: Światło zachowuje się jak kwantowy hamulec. Co to oznacza dla twojego komputera?

Zespół z Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) wykorzystał spektroskopię fotoemisji z rozdzielczością kątową, naświetlając kryształy CsV₃Sb₅ światłem o lewo- i prawoskrętnej polaryzacji. Analiza różnic w intensywności emitowanych elektronów ujawniła sygnał świadczący o złamaniu symetrii odwrócenia czasu.

Kluczowa była okoliczność, że ów sygnał pojawiał się w temperaturach od –133 do –128 stopni Celsjusza – znacznie powyżej –179 stopni, gdzie tworzy się fala gęstości ładunku. Oznacza to, że elektrony zaczynają krążyć w mikroskopijnych zamkniętych obiegach, tworząc tzw. porządek prądów pętlowych, jeszcze zanim rozmieściły się nierównomiernie w przestrzeni.

„To trochę tak, jakby w tłumie najpierw powstały uporządkowane wiry, a dopiero potem ludzie zgrupowali się gęściej w jednych miejscach, a rzadziej w innych” – obrazowo tłumaczą badacze.

Choć modele teoretyczne przewidywały istnienie takiego stanu od lat, jego eksperymentalne potwierdzenie było niezwykle trudne. Dopiero precyzyjne odfiltrowanie szumu geometrycznego pozwoliło wydobyć czysty sygnał pochodzący z samego materiału.

Dlaczego to ważne dla nadprzewodnictwa?

Nadprzewodnictwo konwencjonalne, opisane teorią BCS, tłumaczy się łączeniem elektronów w pary za pośrednictwem drgań sieci krystalicznej. Jednak w materiałach takich jak CsV₃Sb₅ mechanizm ten wydaje się niewystarczający. Odkryty właśnie porządek prądów pętlowych może być brakującym ogniwem – stanem, który poprzedza i ułatwia powstanie par Coopera w niekonwencjonalnych nadprzewodnikach.

Zrozumienie, jakie stany organizacji elektronów torują drogę do nadprzewodnictwa, może pewnego dnia pomóc w zaprojektowaniu materiałów osiągających ten stan w znacznie wyższych temperaturach, być może nawet pokojowej. A to zrewolucjonizowałoby energetykę, elektronikę i komputery kwantowe.

Badacze z KAIST zaznaczają, że ich wynik to dopiero początek. Kolejnym krokiem będzie sprawdzenie, czy podobny ukryty etap występuje również w innych metalach kagome i czy można sterować nim zewnętrznie. Jeśli tak, fizyka materii skondensowanej zyska potężne narzędzie do manipulowania światem kwantów.