Эти результаты были опубликованы в научном журнале Nature Physics.Материал CeCoIn5 является сверхпроводящим при очень низких температурах. Как и ожидалось, сверхпроводимость разрушается в присутствии очень сильных магнитных полей (в случае этого материала выше 12 Тесла).
Исследователи из Института Пауля Шеррера продемонстрировали, что до того, как это произойдет, в сильных магнитных полях создается новое экзотическое состояние материала. В этом состоянии в дополнение к сверхпроводимости наблюдается дополнительный антиферромагнитный порядок, то есть магнитные моменты («элементарные магниты») в материале частично направлены в одном направлении, а частично в противоположном направлении регулярным образом. Аргументы симметрии приводят к выводу, что новое квантовое состояние должно быть связано с этим магнитным порядком.
Два типа сверхпроводимости одновременноИсследователи PSI изучили свойства этого антиферромагнитного порядка и пришли к выводу, что это новое квантовое состояние соответствует второму, независимому сверхпроводящему состоянию. Сверхпроводимость возникает, когда электроны объединяются в материале в куперовские пары, которые могут беспрепятственно перемещаться через материал. С точки зрения пар Купера, существуют разные типы сверхпроводимости, которые различаются, в частности, с точки зрения свойств симметрии движения куперовских пар.
В рассмотренном здесь материале присутствует второе сверхпроводящее состояние в дополнение к уже существующему. Говоря техническим жаргоном, изначально существует d-волновая сверхпроводимость, к которой в экзотическом состоянии присоединяется p-волновая сверхпроводимость.Обнаружен нейтронамиАнтиферромагнитный порядок в материале был обнаружен в нейтронных экспериментах на нейтронном источнике SINQ PSI и в Институте Лауэ-Ланжевена в Гренобле.
В этих экспериментах пучок нейтронов проходит через материал, а затем исследователи наблюдают, в каких направлениях рассеивается большое количество нейтронов. Это позволяет делать выводы о регулярных структурах внутри материала. В этом случае появилось дополнительное направление, в котором многие нейтроны дифрагировали в сильных магнитных полях. Это соответствовало антиферромагнитному порядку, а точнее волне спиновой плотности.
Это означает, что когда вы движетесь в определенном направлении через материал, магнитные моменты сначала указывают в одном направлении, становятся больше, а затем меньше, а затем указывают в противоположном направлении, становятся больше, а затем снова меньше и т. Д. Если вы нарисуете моменты в виде стрелок затем их кончики можно соединить волнистой линией.В этом материале волны спиновой плотности могут двигаться только в двух направлениях, перпендикулярных друг другу, то есть они могут появляться в двух разных областях. Направление, в котором движется волна спиновой плотности, зависит от направления внешнего магнитного поля.
При изменении направления магнитного поля для определенного направления ориентация волны спиновой плотности также резко меняется. Чтобы доказать этот эффект, исследователи построили специальный держатель для образцов, с помощью которого образец можно было наклонять на очень небольшой угол между измерениями.
Квантовое состояние под контролем«Наблюдаемое поведение материала было совершенно неожиданным и определенно не является чисто магнитным эффектом», — объясняет Мишель Кензельманн, глава исследовательской группы PSI. «Это явный признак того, что в материале новое сверхпроводящее состояние возникает вместе с волной спиновой плотности, как и следовало ожидать из аргументов симметрии». Особенность этого состояния в том, что оно очень тесно связано с магнитным порядком. Это означает, что они оба становятся сильнее при увеличении силы внешнего магнитного поля. Следовательно, с помощью внешнего магнитного поля можно напрямую управлять квантовым состоянием, которое связано со сверхпроводимостью.
Возможность прямого управления квантовыми состояниями может быть важной для возможных квантовых компьютеров будущего. «Даже если этот конкретный материал, вероятно, не будет использоваться из-за низких температур и требуемых сильных магнитных доменов, наши эксперименты показывают, как в принципе может выглядеть этот вид контроля», — добавляет Саймон Гербер, первый автор публикации.