Сверхпроводники — это материалы, которые могут проводить электрический ток с нулевым сопротивлением, как правило, только при очень низких температурах. Большинство сверхпроводников ведут себя в соответствии с хорошо изученными закономерностями, но рутенат стронция, Sr₂RuO₄, не поддаётся однозначному объяснению с тех пор, как в 1994 году были обнаружены его сверхпроводящие свойства. Он считается одним из самых чистых и хорошо изученных нетрадиционных сверхпроводников, однако учёные до сих пор спорят о точной структуре и симметрии электронных пар, которые придают ему эти замечательные свойства.
Один из эффективных способов определить основное сверхпроводящее состояние — измерить, как меняется температура сверхпроводящего перехода, или Tc, при деформации, поскольку разные сверхпроводящие состояния по-разному реагируют на растяжение, сжатие или скручивание кристалла. Многие ранние эксперименты, особенно ультразвуковые исследования, предполагали, что Sr₂RuO₄ может находиться в двухкомпонентном сверхпроводящем состоянии — более сложной форме сверхпроводимости, которая поддерживает такие экзотические явления, как внутренние магнитные поля или несколько сосуществующих сверхпроводящих доменов. Ожидается, что настоящее двухкомпонентное состояние будет сильно реагировать на сдвиговую деформацию.
Это вдохновило группу исследователей из Киотского университета на использование деформации для изучения истинной природы сверхпроводящего состояния Sr₂RuO₄. Исследователи разработали метод, который позволил применить 3 различных вида деформации сдвига к чрезвычайно тонким кристаллам Sr₂RuO₄.
Деформация сдвига — это вид деформации, при котором часть кристалла смещается в сторону, подобно тому, как верхняя часть колоды карт сдвигается относительно нижней. Уровни деформации были тщательно измерены с помощью оптической визуализации высокого разрешения при температуре до 30 градусов К (−243 градуса по Цельсию). Ключевое открытие: температура сверхпроводимости практически не изменилась. Любое изменение Tc было меньше 10 милликельвинов на процент деформации, что фактически ниже предела обнаружения.
Результаты, опубликованные в журнале Nature Communications, показывают, что сдвиговая деформация практически не влияет на температуру, при которой Sr₂RuO₄ переходит в сверхпроводящее состояние, что опровергает несколько предложенных теорий и устанавливает строгие ограничения на возможные типы сверхпроводящих состояний. Полученные данные указывают на однокомпонентное сверхпроводящее состояние или на ещё более необычные, неизученные сверхпроводящие состояния, которые ведут себя не так, как предсказывают теории.
«Наше исследование — важный шаг на пути к разгадке одной из самых давних тайн в физике конденсированных сред», — говорит первый автор исследования Джордано Маттони из Исследовательского центра Toyota Riken при Киотском университете.
Эта работа сужает круг поиска объяснения того, как в этом соединении возникает сверхпроводимость. Однако загадка остаётся: более ранние ультразвуковые измерения явно указывали на сильный эффект, связанный со сдвигом, в то время как новые измерения прямого напряжения его не выявили. Понимание того, почему эти два метода дают разные результаты, сейчас является одним из главных вопросов.
Помимо Sr₂RuO₄, разработанный в этом исследовании метод контроля деформации может быть применён к другим сверхпроводникам, демонстрирующим многокомпонентное поведение, таким как UPt₃, а также к иным материалам со сложными фазовыми переходами.
