Физики из Университета Окаямы в Японии обнаружили, что растяжение кристалла квантового материала менее чем на один процент позволяет разделить два разных сверхпроводящих состояния. Эксперимент также показал рост температуры, при которой начинается сверхпроводимость, при этом другой тип электронного порядка в кристалле практически не изменился. Результаты исследования, опубликованные в журнале Physical Review Letters, могут помочь разрешить давний спор вокруг материала CsV3Sb5, чьи сверхпроводящие свойства давали противоречивые экспериментальные данные.
CsV3Sb5 относится к семейству кагомэ-металлов, названных так из-за характерного узора из соединённых треугольников в их атомной структуре. Такая геометрия порождает необычное электронное поведение, включая конкурирующие формы квантового порядка. При температуре около 94 кельвинов в материале возникает волна зарядовой плотности — периодическое перераспределение электронного заряда. При гораздо более низкой температуре, примерно 2,5 кельвина, он становится сверхпроводником, пропускающим электрический ток без сопротивления.
Один из нерешённых вопросов касается сверхпроводящей щели — энергетического зазора, связанного с объединением электронов в пары. Одни эксперименты указывали, что эта щель остаётся открытой по всей электронной структуре материала, другие говорили о наличии узлов — точек, где щель падает до нуля. Эти варианты указывают на разные характеристики лежащего в основе сверхпроводящего состояния. Чтобы разобраться, команда под руководством доцента Синдзи Кавасаки и профессора Го-цина Чжэна применила контролируемую деформацию к высококачественным кристаллам CsV3Sb5.
Используя специальную пьезоэлектрическую ячейку, исследователи растягивали или сжимали материал вдоль одного кристаллографического направления, отслеживая сверхпроводящий переход и локальные электронные свойства методом ядерного квадрупольного резонанса. Растяжение вызвало заметный рост температуры сверхпроводящего перехода: без деформации сверхпроводимость начиналась при примерно 3,0 кельвина, а при растяжении на +0,90% эта температура поднялась до 3,6 кельвина. Сжатие такого усиления не дало, а волна зарядовой плотности осталась практически неизменной.
При максимальном растяжении учёные зафиксировали два отдельных сверхпроводящих перехода. Первый появлялся при 3,6 кельвина и был связан с узловым сверхпроводящим состоянием, второй возникал при 3,0 кельвина и демонстрировал безузловое состояние. Измерения подтверждают существование двух сверхпроводящих состояний, которые в обычных условиях почти вырождены, то есть обладают очень близкими энергиями. «Годами разные измерения CsV3Sb5 указывали на, казалось бы, разные сверхпроводящие состояния, — говорит профессор Кавасаки. — Наши результаты показывают, что эти состояния могут сосуществовать, а одноосная деформация способна их разделить, давая нам прямой способ изучать каждое из них».
Растяжение также усилило необычную узловую компоненту: её расчётный вклад вырос примерно с 10% без деформации до около 26% при растяжении на +0,90%. «Деформация даёт нам независимую ручку управления в этом материале — она усиливает сверхпроводимость, не меняя объёмную волну зарядовой плотности», — отмечает профессор Кавасаки. Такой подход можно распространить на другие необычные сверхпроводники, где сосуществуют несколько электронных порядков, включая железосодержащие сверхпроводники и материалы с тяжёлыми фермионами.