Un curent supraconductor nou descoperit călătorește doar de-a lungul marginii unui material

Supraconductorii devin nervoși.

Pentru prima dată, oamenii de știință au observat un curent supraconductor care călătorește de-a lungul marginii unui material, ca o dâră de furnici care se târăsc de-a lungul marginii unei farfurii fără să se aventureze în mijlocul acestuia.

În mod normal, astfel de curenți supraconductori, în care electricitatea circulă fără nicio pierdere de energie, pătrund într-un material întreg. Dar într-o foaie subțire de ditelurură de molibden răcită aproape de zero absolut, interiorul și marginea alcătuiesc doi supraconductori distincti, raportează fizicianul Nai Phuan Ong și colegii săi în 1 mai. Ştiinţă. Cei doi supraconductori „se ignoră în principiu unul pe celălalt”, spune Ong, de la Universitatea Princeton.

Această distincție între exterior și interior face din ditelurura de molibden un exemplu de ceea ce se numesc materiale topologice. Comportamentul lor este strâns legat de domeniul matematic al topologiei, în care formele sunt considerate distincte doar dacă una nu poate fi modelată în alta fără tăiere sau topire (SN: 10/4/16). În izolatoarele topologice, curenții electrici pot curge pe suprafața unui material, dar nu în interior, ca un cartof acoperit cu folie de staniol (SN: 5/7/10).

De asemenea, supraconductorii topologici sunt supraconductori în interiorul lor și se comportă diferit pe suprafețele lor. Deși unii cercetători au bănuit că supraconductorii topologici ar putea găzdui și curent supraconductor pe marginile lor, nu a fost încă găsit niciunul. Dar noua observație este „extrem de convingătoare”, spune chimistul fizic Claudia Felser de la Institutul Max Planck pentru Fizica Chimică a Solidelor din Dresda, Germania, care nu a fost implicată în cercetare. „Este cu adevărat, foarte interesant.”

Ditelurura de molibden este un compus asemănător metalului numit semimetal Weyl (SN: 7/16/15). Proprietățile sale neobișnuite ar putea însemna că ar putea adăposti fermioni Majorana, perturbări în cadrul unui material pe care oamenii de știință speră să îl folosească pentru a crea computere cuantice mai bune. Se așteaptă ca astfel de calculatoare cuantice topologice să reziste fluctuației care afectează calculele cuantice (SN: 20/07/17).

În experimentul lor, Ong și colegii au crescut treptat câmpul magnetic de pe material. Ei au măsurat simultan cât de mult ar putea crește curentul electric înainte ca starea supraconductivă să se piardă, o valoare cunoscută sub numele de curent critic. Pe măsură ce câmpul magnetic a crescut, curentul critic a oscilat, devenind din ce în ce mai mare, mai mic și din nou mai mare într-un model care se repetă – un semn distinctiv al unui supraconductor de margine.

Oscilația rezultă din fizica ciudată a supraconductorilor, în care electronii formează parteneriate numite perechi Cooper. Perechile acționează ca un întreg unificat, toate luând aceeași stare cuantică sau funcție de undă, care determină probabilitatea ca o particulă să fie găsită într-o anumită locație.

Diagrama curentului supraconductor
Un curent supraconductor (săgeți albe) circulă în jurul marginii unei foi subțiri de diteluriră de molibden (ilustrată în dreapta) într-un câmp magnetic (săgeți negre). Un efect similar într-un inel de supraconductor (stânga) a fost observat într-un studiu clasic cunoscut sub numele de experimentul Little-Parks.W. Wang et al/Ştiinţă 2020

O proprietate a funcției de undă numită fază este analogă cu răsucirile dintr-un streamer de petrecere atârnat în jurul marginilor unei camere, spune Ong. Dacă este conectat la capete, streamerul de petrecere se poate răsuci o dată sau de două ori, dar niciodată de 1,2 ori, de exemplu, deoarece capetele nu s-ar alinia. În mod similar, faza trebuie să facă un număr întreg de răsuciri în jurul materialului. Interacțiunea dintre câmpul magnetic în creștere și constrângerea de răsucire face ca curentul critic să oscileze.

Un studiu clasic din anii 1960 cunoscut sub numele de experimentul Little-Parks este strâns legat de noua lucrare. În acel studiu, un supraconductor în formă de cilindru a prezentat oscilații asociate într-un câmp magnetic în schimbare. Dar în versiunea lui Ong și colegii, curentul supraconductor circulă în jurul marginii unei bucăți solide de material, mai degrabă decât a unui cilindru fizic.

„Este un mod foarte inteligent și frumos de a evalua dacă există sau nu un curent de vârf” care este supraconductor, spune fizicianul Smitha Vishveshwara de la Universitatea Illinois din Urbana-Champaign, care nu a fost implicat în cercetare.