Большинство сверхпроводников, как и большинство твердых тел, являются кристаллическими: их атомные структуры построены из периодически повторяющихся ячеек. С 1980-х годов стала известна альтернативная форма твердого тела, квазикристалл (QC). Хотя QC обладают симметрией, как и кристаллы, в них нет повторяющихся единиц. Это отсутствие периодичности приводит к необычным электронным структурам.
Теперь, в исследовании, опубликованном в Nature Communications, исследовательская группа под руководством Университета Нагоя впервые обнаружила сверхпроводимость в QC.Команда изучила сплав алюминия, цинка и магния. Кристаллическая версия, как известно, является сверхпроводящей. Однако структура Al-Zn-Mg зависит от соотношения трех элементов.
Команда обнаружила, что Al имеет решающее влияние на свойства сплава. Как отмечает первый автор исследования Кейсуке Камия: «Когда мы уменьшили содержание Al, сохраняя при этом почти постоянное содержание Mg, критическая температура для сверхпроводимости сначала постепенно снижалась с ~ 0,8 до ~ 0,2 К. Однако при 15% Al произошли две вещи. : сплав превратился в квазикристалл, а критическая температура упала до ~ 0,05 К. "Эта чрезвычайно низкая критическая температура, всего на 1/20 градуса выше абсолютного нуля, объясняет, почему оказалось так трудно достичь сверхпроводимости в КК. Тем не менее, сплав QC показал две типичные особенности сверхпроводников: скачок теплоемкости при критической температуре и почти полное исключение магнитного потока изнутри, известное как эффект Мейснера.Сверхпроводимость в обычных кристаллах теперь хорошо изучена.
При достаточно низкой температуре отрицательно заряженные электроны преодолевают взаимное отталкивание и притягиваются друг к другу, объединяясь в пары. Эти «куперовские пары» сливаются в конденсат Бозе-Эйнштейна, квантовое состояние материи с нулевым электрическим сопротивлением. Однако притяжение между электронами зависит от их взаимодействия с твердой решеткой, и традиционная теория предполагает, что это периодический кристалл, а не QC.
Исследователи рассмотрели три возможности происхождения сверхпроводимости в сплаве QC. Самым экзотическим были «критические собственные состояния»: особые электронные состояния обнаруживались только около абсолютного нуля.
Электронные собственные состояния расширены в кристаллах и локализованы в случайных твердых телах, но пространственная протяженность критических собственных состояний в QC, которые не являются ни периодическими, ни случайными, неясна. Однако команда исключила их на основании их измерений.
Это привело к появлению пар Купера либо в расширенной, либо в менее распространенной разновидности «слабой связи». Фактически, сплав очень напоминал типичный сверхпроводник со слабой связью.
«Интересно, что сверхпроводимость этого сплава не была связана с его квазикристалличностью, а напоминала так называемые грязные кристаллы», — говорит корреспондент Нориаки К. Сато. «Однако теория квазикристаллов также предсказывает другую форму сверхпроводимости, основанную на фрактальной геометрии в КК. Мы считаем, что существует большая вероятность того, что фрактальная сверхпроводимость вносит хоть какой-то вклад, и мы были бы рады, наконец, измерить его».