Ученые подтвердили существование хиральной сверхпроводимости

Физики, объединив усилия теоретиков и экспериментаторов, представили доказательства, которые могут стать решающим аргументом в длительных поисках киральных сверхпроводников. В публикации в авторитетном научном издании исследователи продемонстрировали «микроскопический отпечаток» фазовой закрученности параметра порядка в системе Sn/Si(111), представляющей собой монослой олова на кремниевой подложке. В отличие от прошлых работ, где выводы часто оставались спорными из-за сложности анализа многозонных структур, система на базе олова позволила наблюдать фундаментальную квантовую симметрию непосредственно в реальном пространстве.

Киральная сверхпроводимость представляет собой редкое явление, при котором куперовские пары электронов демонстрируют спонтанное нарушение симметрии обращения времени. Теоретически такое состояние должно сопровождаться возникновением топологически защищённых краевых токов и майорановских мод — уникальных квазичастиц, обладающих высокой устойчивостью к внешним воздействиям.

Главной преградой для подтверждения этой теории долгое время оставалась трудность прямой фиксации «закрученности» волновой функции. Команда исследователей из MIT и их партнеры успешно решили эту задачу, использовав треугольную атомную решётку олова как предельно чистую экспериментальную площадку.

Для идентификации киральной фазы авторы применили метод сканирующей туннельной микроскопии (СТМ) при сверхнизких температурах (около 400 мК). Исследователи сфокусировались на точечных дефектах, вызванных замещающими атомами кремния. Была обнаружена характерная дихотомия «узел — антиузел»: в одной энергетической точке на месте дефекта фиксировался глубокий провал плотности состояний, а в другой — выраженный пик. Теоретические расчеты подтвердили, что подобное разделение электронной и дырочной компонент волновой функции возможно лишь при наличии ненулевого углового момента у сверхпроводящих пар, что выступает неопровержимым свидетельством киральности.

Кроме спектральных особенностей, микроскопия выявила сложные интерференционные узоры квазичастиц, напоминающие «цветы» или «звезды». Эти паттерны, возникающие вследствие рассеяния электронов на дефектах, полностью согласуются с предсказаниями для кирального d-волнового спаривания.

Ключевым преимуществом структуры Sn/Si(111) стала её структурная лаконичность: это однозонный моттовский диэлектрик, где физические процессы протекают без маскирующего влияния соседних зон. Это позволило создать математическую модель, которая продемонстрировала идеальное соответствие эксперименту без необходимости использования подгоночных параметров.

Значимость данной работы выходит далеко за рамки фундаментальной физики. Подтверждение существования киральной сверхпроводимости превращает монослой олова на кремнии в перспективную платформу для изучения топологических квантовых фаз. В будущем подобные материалы могут стать основой для создания отказоустойчивых квантовых компьютеров, архитектура которых защищена от ошибок на уровне самой квантовой фазы. Таким образом, ученые не просто разрешили загадку, стоявшую перед наукой десятилетиями, но и проложили путь к практическому внедрению топологических технологий нового поколения.

Источник: iXBT