Сверхпроводимость как явление возникает, когда электроны в металле объединяются в пары и движутся через вещество без сопротивления. Однако ученые из Германии обнаружили, что электроны также могут объединяться в группы по четыре, создавая новое состояние материи и, потенциально, новый тип сверхпроводимости.

Четыре электрона, связанные в одно семейство, внутри решетки сверхпроводящего материала

 

Проводимость - это величина, определяющая, насколько легко электроны (и, следовательно, электричество) могут перемещаться по материалу. Но даже в материалах, которые являются хорошими проводниками, например в золоте, электроны все равно будут встречать некоторое сопротивление. Однако сверхпроводники устраняют все подобные барьеры и обеспечивают нулевое сопротивление при сверхнизких температурах.

Причина, по которой электроны могут так легко перемещаться через сверхпроводники, заключается в том, что они объединяются в пары благодаря квантовому эффекту, известному как куперовская пара. При этом они повышают минимальное количество энергии, необходимое для того, чтобы помешать электронам. Если материал имеет сверхнизкую температуру, его атомы не будут иметь достаточно энергии, чтобы нарушить  пары Купера, позволяя электронам течь свободно без потери энергии. Но в новом исследовании ученые из университетов Дрездена и Вюрцбурга в Германии сделали интересное открытие. В одном конкретном типе сверхпроводника они обнаружили, что пары Купера сами объединяются в пары, образуя группы из четырех электронов.

"Когда мы обнаружили, что вместо двух электронов связь образуется из четырех, мы сначала решили, что это ошибка в расчетах", - говорит Хеннинг Клаусс, ведущий научный сотрудник исследования. "Но чем больше методов расчета мы использовали для подтверждения результатов, тем яснее становилось, что это должно быть новое явление. Все данные соответствовали одному и тому же результату. Теперь мы знаем, что семейство электронов из четырех частиц в некоторых металлах создает совершенно новое состояние материи при охлаждении до сверхнизких температур". 

Открытие было сделано в сверхпроводящем металле, содержащем барий, калий, железо и мышьяк, из класса, известного как пниктиды железа. Теоретически такое явление было предсказано около десяти лет назад, но экспериментальных доказательств до сих пор не было. Затем исследователи потратили два года на подтверждение находки, используя для этого семь различных методов расчетов. Команда говорит, что эти семейства электронов могут открыть новую область сверхпроводимости и целый ряд передовых устройств,  на ее основе. Но до этого еще предстоит проделать большую работу, чтобы выяснить, как она работает, в каких материалах встречается и как ее можно использовать.

"Можно предположить, что наши результаты приведут к совершенно новому направлению исследований, например, к поиску других металлов с четырьмя связанными электронами или к изучению того, как нужно изменить материалы, чтобы создать такое семейство электронов", - говорит Клаусс. "С чисто теоретической точки зрения, с нашим электронным семейством возможен и совершенно новый тип сверхпроводимости. Единственное, что можно сказать наверняка, это то, что пниктиды железа хорошо подходят для таких технологий, как квантовые датчики, благодаря своему новому агрегатному состоянию".