Почему в дителлуриде урана возникает эффект Лазаря при экстремальном магнетизме

Магнитное поле силой более 40 Тесла способно мгновенно разрушить структуру большинства известных проводников, но в случае с дителлуридом урана (UTe2) физики столкнулись с парадоксом: проводимость без сопротивления, исчезнув на отметке в 10 Тесла, внезапно возвращается к жизни при экстремальных нагрузках. Это явление, зафиксированное международной группой исследователей под руководством физика Андрия Невидомского из Университета Райса, переворачивает классические представления о пределах выносливости квантовых систем. Обычно магнетизм и сверхпроводимость выступают как антагонисты, где первый неизменно подавляет вторую, однако UTe2 демонстрирует уникальную способность к регенерации в условиях, которые считались фатальными.

Феномен фазы Лазаря в квантовом мире

Когда в 2019 году ученые впервые заметили странные свойства дителлурида урана, данные казались ошибкой приборов. Сверхпроводимость материала подавлялась по мере роста магнитного поля, что абсолютно логично с точки зрения термодинамики. Однако при достижении критических значений в несколько десятков Тесла квантовое состояние возникало вновь. Физики назвали этот эффект фазой Лазаря — в честь библейского персонажа, восставшего из мертвых. Такое поведение не является просто курьезом; оно указывает на глубокую и неизвестную ранее связь между направлением магнитного момента и стабильностью электронных пар.

Исследование, опубликованное в престижном журнале Science, описывает сложную геометрию этого процесса. Оказалось, что воскрешение проводимости происходит не хаотично, а строго в зависимости от угла наклона поля относительно кристаллической решетки. Если отклонить вектор силы на несколько градусов, эффект исчезает. Это заставило команду ученых из NIST и Университета Мэриленда (UMD) провести серию сверхточных измерений, чтобы буквально картировать область выживания материала.

Геометрический нимб вокруг кристаллической оси

Результаты измерений выявили нечто визуально совершенное: область сверхпроводимости под высоким полем образует тороидальную форму или, проще говоря, полый бублик. Этот квантовый нимб окружает так называемую жесткую b-ось кристалла. Свободное движение электронов без потерь энергии сохраняется только внутри этой специфической трехмерной оболочки. Сильвия Левин из NIST отметила, что обнаружение такого гало стало сюрпризом даже для теоретиков, поскольку оно подразумевает наличие у куперовских пар собственного углового момента, напоминающего вращение волчка.

Для объяснения этого феномена Андрий Невидомский разработал феноменологическую модель. Вместо того чтобы пытаться вычислить поведение каждого отдельного электрона, он сосредоточился на общих физических свойствах системы. Его расчеты доказали:

• ориентация магнитного поля является определяющим фактором выживания фазы;
• куперовские пары в UTe2 обладают магнитным моментом, который взаимодействует с внешним полем;
• высокополевая фаза активируется только при достижении метамагнитного перехода — скачкообразного изменения намагниченности образца.

Практический вызов классической электродинамике

Традиционные сверхпроводники, используемые в аппаратах МРТ или ускорителях частиц, крайне капризны. Малейшее превышение критического поля превращает их в обычный металл с высоким сопротивлением. Дителлурид урана игнорирует эти ограничения. Работа физиков из Лос-Аламосской национальной лаборатории и их коллег показала, что мы имеем дело с топологической сверхпроводимостью, где квантовые состояния защищены самой структурой материала.

Сверхпроводимость высокого поля проявляется только тогда, когда величина поля достигает определенного порога, который сам по себе сильно зависит от угла. Это открывает путь к созданию устройств, где током можно управлять, просто меняя наклон кристалла в магнитном поле.

Интересно, что природа «клея», удерживающего электроны вместе в таких экстремальных условиях, до сих пор остается предметом споров. Ученые уверены в одном: способность пар носителей заряда нести магнитный момент — это ключ к пониманию того, как сосуществуют такие непримиримые явления, как ферромагнетизм и отсутствие сопротивления. В будущем это может привести к созданию материалов для квантовых компьютеров, не чувствительных к внешним помехам.

Если материал способен возвращать свои свойства после полного разрушения, можно ли создать системы, которые будут вечно стабильны в полях колоссальной мощности? Пока ученые ищут ответ, остается загадкой: сколько еще веществ в таблице Менделеева прячут свою истинную силу за порогом в 40 Тесла, где наши привычные измерительные приборы обычно бессильны?