Fizičari su u supravodiču prvog tipa prvi put pronašli dokaz narušavanja simetrije vremenskog obrata, svojstva kakvo se obično opaža u nekonvencionalnim supravodičima drugog tipa. U kristalima spoja iterbija i antimona, YbSb2, pri prijelazu u supravodljivo stanje spontano su nastala vrlo slaba magnetska polja.
Nalaz je iznenađujući jer se ponašanje supravodiča prvog tipa obično objašnjava konvencionalnim modelima. YbSb2 mogao bi zato omogućiti proučavanje neobičnog sparivanja elektrona bez dodatnih pojava koje takva mjerenja često otežavaju.
Tim Anshu Kataria s indijskog instituta IISER u Bhopalu nalaz povezuje s mogućim tripletnim sparivanjem elektrona, drukčijim od onoga u većini konvencionalnih supravodiča. Takvo tumačenje predlažu u radu objavljenom 23. rujna u časopisu Physical Review Letters.
Dvije različite podjele supravodiča
Supravodiči ispod određene temperature provode električnu struju bez otpora. Njihova se svojstva mogu razvrstati na dva različita načina, a ta je razlika ključna za razumijevanje ovog otkrića.
Podjela na prvi i drugi tip opisuje odgovor materijala na vanjsko magnetsko polje. Supravodiči prvog tipa izbacuju polje iz svoje unutrašnjosti sve dok ono ne dosegne kritičnu jakost i uništi supravodljivost. U drugom tipu postoji i raspon u kojem magnetsko polje prodire u materijal kroz sitne vrtloge, dok supravodljivost opstaje.
Podjela na konvencionalne i nekonvencionalne supravodiče odnosi se, pak, na način nastanka Cooperovih parova, povezanih parova elektrona koji omogućuju supravodljivo stanje. Konvencionalni opis obično uključuje parove sa suprotno usmjerenim spinovima. Nekonvencionalno sparivanje može imati drukčiju strukturu i druge mehanizme nastanka.
Prvi tip stoga ne znači automatski da je supravodič konvencionalan. Upravo YbSb2 pokazuje zašto te dvije podjele treba promatrati odvojeno.
Što znači narušavanje vremenske simetrije?
Simetrija vremenskog obrata govori o tome ostaje li opis fizičkog sustava jednak kada se matematički obrne smjer vremena. U toj se operaciji obrću i veličine poput brzine, spina i magnetskog polja. To je svojstvo jednadžbi i kvantnog stanja materijala; izraz ne opisuje povratak u prošlost.
Kada supravodljivo stanje spontano razvije magnetsko polje određenog smjera, vremenski obrat daje stanje s obrnutim poljem. Sustav time razlikuje ta dva stanja, umjesto da ostane nepromijenjen. Takvo narušavanje simetrije važan je trag pri utvrđivanju načina na koji se elektroni sparuju.
Tim je najprije uzgojio monokristale YbSb2 i mjerenjima električnog otpora, magnetizacije i toplinskog kapaciteta potvrdio da pripadaju supravodičima prvog tipa. Supravodljivo stanje nastaje pri temperaturi od približno −272 Celzijeva stupnja.
Zatim su istraživači upotrijebili spektroskopiju mionskog spina. Mioni, čestice osjetljive na lokalno magnetsko okruženje, omogućuju otkrivanje iznimno slabih polja unutar uzorka. Kako objašnjava časopis Physics Američkog fizičkog društva, mjerenja su pokazala da se takva polja spontano pojavljuju ispod temperature supravodljivog prijelaza. To je dokaz narušavanja simetrije vremenskog obrata.
Neobično sparivanje elektrona i moguća površinska stanja
Proračuni elektronske strukture upućuju na to da je YbSb2 topološki metal: raspored njegovih elektronskih stanja omogućuje posebna površinska stanja zaštićena simetrijom. Za supravodljivo stanje autori kao najvjerojatnije objašnjenje predlažu nekonvencionalno tripletno sparivanje elektrona između različitih energijskih pojasa. Takvo sparivanje zasad ostaje teorijsko tumačenje mjerenja i još nije izravno potvrđeno.
Povezanost magnetizma i supravodljivosti predmet je i drugih istraživanja, uključujući upravljanje egzotičnim supravodljivim stanjem pomoću magnetizma. Novi je rad posebno zanimljiv jer tragove nekonvencionalnog sparivanja nalazi u materijalu prvog tipa.
Predloženi model dopušta i postojanje Majoraninih površinskih modova, posebnih kvantnih pobuđenja koja se istražuju zbog moguće primjene u kvantnom računanju otpornijem na pogreške. Njihovo postojanje u ovom materijalu još treba eksperimentalno potvrditi. Eksperimentalna potvrda tih površinskih stanja pomogla bi utvrditi je li YbSb2 i topološki supravodič.
