Nadprzewodnik łamiący symetrię czasu brzmi jak pomysł z teorii, ale właśnie udało się go zaobserwować w praktyce. Międzynarodowy zespół fizyków zbadał kryształ YbSb2, który przy ekstremalnie niskiej temperaturze nie tylko przechodzi w stan nadprzewodzący, lecz także spontanicznie wytwarza wewnętrzne pola magnetyczne. To właśnie one są kluczową wskazówką, że materiał może łamać symetrię odwrócenia czasu – właściwość rzadką i do tej pory kojarzoną głównie z bardziej egzotycznymi nadprzewodnikami.
Nadprzewodnik łamiący symetrię czasu – co właściwie odkryto?
Nadprzewodniki to materiały, które po odpowiednim schłodzeniu potrafią przewodzić prąd bez oporu elektrycznego.
Oznacza to brak typowych strat energii związanych z przepływem prądu.
Choć zjawisko samo w sobie jest znane od dawna, nadprzewodniki bardzo różnią się sposobem działania i reakcją na pola magnetyczne.
Nowe badanie dotyczy materiału o nazwie diantymonek iterbu, YbSb2.
Zespół kierowany przez naukowców z Indian Institute of Science Education and Research w Bhopalu opublikował wyniki w „Physical Review Letters”.
Najbardziej niezwykłe jest to, że badany materiał zachowuje się jak nadprzewodnik typu I, a jednocześnie wykazuje cechę częściej spotykaną w znacznie bardziej egzotycznych stanach kwantowych.
Czym jest symetria odwrócenia czasu?
W fizyce wiele równań działa tak samo niezależnie od tego, czy matematycznie „puszczamy czas do przodu”, czy „do tyłu”.
To właśnie nazywa się symetrią odwrócenia czasu.
Nie oznacza to oczywiście realnej podróży w czasie.
Chodzi o właściwość równań i układów fizycznych.
Jeżeli po matematycznym odwróceniu czasu zachowanie systemu pozostaje zgodne z tymi samymi prawami, symetria jest zachowana.
Jeżeli pewne właściwości zmieniają się w sposób, który odróżnia oba kierunki czasu, mówimy o złamaniu tej symetrii.
W przypadku pól magnetycznych kierunek ma kluczowe znaczenie, bo pole magnetyczne zmienia znak przy odwróceniu czasu.
YbSb2 stał się nadprzewodnikiem blisko zera absolutnego
Naukowcy najpierw zsyntetyzowali monokryształy YbSb2.
Następnie przy użyciu promieniowania rentgenowskiego sprawdzili ich czystość chemiczną oraz strukturę krystaliczną.
Materiał przeszedł w stan nadprzewodzący przy temperaturze około -272°C.
To zaledwie nieco ponad jeden stopień powyżej zera absolutnego, które wynosi -273,15°C.
W tej temperaturze opór elektryczny spadł do zera.
To pierwszy podstawowy dowód, że materiał rzeczywiście wszedł w stan nadprzewodzący.
Badania potwierdziły nadprzewodnictwo typu I
Sam zerowy opór nie wystarczył.
Naukowcy przeprowadzili również pomiary ciepła właściwego, które pozwalają analizować zachowanie elektronów i przemiany zachodzące w materiale.
Dane wskazały, że YbSb2 należy do nadprzewodników typu I.
To istotne, ponieważ ten typ nadprzewodników zwykle uważa się za bardziej klasyczny i mniej egzotyczny niż typ II.
Badanie wykazało również, że stan nadprzewodzący ma pełną przerwę energetyczną.
Oznacza to, że istnieje bariera energetyczna utrudniająca rozbijanie par elektronów odpowiedzialnych za nadprzewodnictwo.
Kluczowe były miony
Najważniejszą część eksperymentu wykonano za pomocą spektroskopii spinów mionowych.
Miony to cząstki subatomowe, które mogą działać jak niezwykle czułe sondy lokalnych pól magnetycznych.
Naukowcy wprowadzają je do badanego materiału i obserwują sposób, w jaki ich spiny reagują na otoczenie.
Dzięki temu można wykrywać bardzo słabe pola magnetyczne, niewidoczne dla wielu innych metod pomiarowych.
Materiał sam wytworzył pola magnetyczne
Podczas jednego z eksperymentów badacze nie stosowali żadnego zewnętrznego pola magnetycznego.
Gdy YbSb2 wszedł w stan nadprzewodzący, wewnątrz materiału spontanicznie pojawiły się niewielkie pola magnetyczne.
To właśnie ten wynik okazał się najważniejszy.
Pojawienie się pola magnetycznego bez działania zewnętrznego źródła wskazuje, że stan nadprzewodzący sam tworzy uporządkowanie magnetyczne.
A ponieważ pole magnetyczne zmienia znak przy matematycznym odwróceniu czasu, obecność takiego spontanicznego pola jest mocnym dowodem na złamanie symetrii odwrócenia czasu.
Nadprzewodnik łamiący symetrię czasu zachowuje się nietypowo
To, co czyni YbSb2 szczególnie interesującym, to połączenie kilku cech.
Z jednej strony jest nadprzewodnikiem typu I.
Z drugiej strony wykazuje złamanie symetrii odwrócenia czasu.
Do tej pory takie zachowanie kojarzono częściej z niekonwencjonalnymi nadprzewodnikami typu II.
YbSb2 łączy więc właściwości, których fizycy nie spodziewaliby się znaleźć razem.
Elektrony tworzą nietypowe pary Coopera
Podstawą nadprzewodnictwa są tak zwane pary Coopera.
W klasycznych nadprzewodnikach dwa elektrony łączą się w parę w określony sposób, dzięki czemu mogą poruszać się przez materiał bez typowego rozpraszania.
W YbSb2 elektrony łączą się jednak inaczej.
Tworzą stan trypletowy.
Taka para ma inny układ spinów niż w typowym nadprzewodniku.
To właśnie nietypowy charakter parowania może odpowiadać za pojawienie się wewnętrznego magnetyzmu.
Co oznacza nieunitarny stan trypletowy?
Autorzy opisują stan YbSb2 jako wewnętrznie antysymetryczny nieunitarny stan trypletowy, w skrócie INT.
Nazwa brzmi skomplikowanie, ale sens jest stosunkowo prosty.
W takim układzie magnetyczne momenty elektronów nie znoszą się całkowicie.
Powstaje więc wypadkowy moment magnetyczny.
To umożliwia materiałowi wytworzenie własnego wewnętrznego pola bez zewnętrznego magnesu.
Właśnie ten mechanizm może tłumaczyć złamanie symetrii odwrócenia czasu.
Elektrony pochodzą z różnych orbitali
Aby lepiej zrozumieć źródło nietypowego parowania, naukowcy przeprowadzili modelowanie teoretyczne.
Wyniki sugerują, że elektrony tworzące pary pochodzą z różnych orbitali energetycznych.
To może być klucz do powstawania nietypowego stanu trypletowego.
Połączenie różnych orbitali z określonym układem spinów prowadzi do zachowania, którego nie obserwuje się w zwykłych nadprzewodnikach konwencjonalnych.
YbSb2 może być materiałem topologicznym
Badanie wskazuje również na możliwość występowania jeszcze bardziej egzotycznych efektów.
Według modeli YbSb2 może obsługiwać tak zwane bezprzerwowe mody powierzchniowe Majorany.
To wzbudzenia kwantowe, które zachowują się w sposób podobny do cząstek będących własnymi antycząstkami.
W praktyce oznacza to, że wnętrze materiału może pozostawać w stanie nadprzewodzącym, a jego powierzchnia może wykazywać szczególne właściwości topologiczne.
Cząstki Majorany są szczególnie interesujące dla komputerów kwantowych
Stany Majorany od lat interesują fizyków pracujących nad komputerami kwantowymi.
Powód jest prosty.
Układy topologiczne mogą być mniej podatne na część zakłóceń zewnętrznych.
A to właśnie zakłócenia są jednym z największych problemów współczesnych komputerów kwantowych.
Ciepło, drgania i szum elektromagnetyczny mogą niszczyć delikatne stany kwantowe.
Jeżeli informacja zostanie zakodowana w stanach topologicznych, może być lepiej chroniona przed częścią tych efektów.
Nadprzewodnik może pomóc w stabilniejszych kubitach
Nie oznacza to, że YbSb2 od razu stanie się podstawą nowego komputera kwantowego.
Badanie ma przede wszystkim charakter fundamentalny.
Pokazuje jednak, że materiał łączy kilka bardzo interesujących właściwości: nadprzewodnictwo, złamanie symetrii odwrócenia czasu i potencjalne zachowanie topologiczne.
Taki zestaw czyni go dobrym kandydatem do dalszych badań nad nowymi sposobami ochrony informacji kwantowej.
To nie jest „łamanie czasu” w potocznym znaczeniu
Sformułowanie „nadprzewodnik łamie symetrię czasu” może brzmieć spektakularnie.
Warto jednak podkreślić, czego badanie nie pokazuje.
Materiał nie cofa czasu.
Nie umożliwia podróży w przeszłość.
Nie narusza również zwykłego następstwa przyczyn i skutków.
Mowa wyłącznie o matematycznej symetrii równań opisujących stan kwantowy materiału.
To subtelna, ale bardzo ważna różnica.
Pierwszy taki przypadek w nadprzewodniku typu I
Znaczenie badania polega przede wszystkim na tym, że złamanie symetrii odwrócenia czasu zaobserwowano w materiale klasyfikowanym jako nadprzewodnik typu I.
Według autorów jest to pierwszy taki przypadek.
Do tej pory podobne zachowanie kojarzono przede wszystkim z bardziej złożonymi i egzotycznymi nadprzewodnikami.
YbSb2 pokazuje, że granica między tymi kategoriami może być mniej wyraźna, niż zakładano.
Nadprzewodnik łamiący symetrię czasu otwiera nowe pytania
Nowe wyniki nie zamykają tematu, lecz otwierają kolejne.
Trzeba dokładnie sprawdzić naturę stanu trypletowego, potwierdzić właściwości topologiczne oraz zbadać potencjalne mody Majorany.
Konieczne będą również kolejne eksperymenty z podobnymi materiałami.
Jeżeli okaże się, że YbSb2 nie jest wyjątkiem, fizycy mogą odkryć całą nową klasę nadprzewodników łączących cechy dotąd uznawane za trudne do pogodzenia.
Nadprzewodnik łamiący symetrię czasu może więc okazać się nie tylko fizyczną ciekawostką, ale początkiem szerszego kierunku badań nad topologiczną materią kwantową i stabilniejszym przetwarzaniem informacji kwantowej.
Wyniki badań opublikowano w czasopiśmie Physical Review Letters .