Команда исследователей из трех стран синтезировала материал, который проявляет сверхпроводящие свойства и при этом способен создавать магнитное поле. Это оказалось возможно благодаря нарушению симметрии обращения времени. Статья об открытии опубликована в журнале Nature Physics.

Некоторые физические системы не симметричны по времени, и в координатах «обратного времени» их свойства могут изменяться. Пример таких систем — сверхпроводники в особом квантовом состоянии. Ниже определенной температуры они начинают проводить ток без сопротивления и при этом становятся идеальными диамагнетиками — то есть вытесняются из внешнего магнитного поля. Благодаря этой особенности магнит способен «летать» над сверхпроводником.

Таким образом, магнетизм и сверхпроводимость фактически считались взаимоисключающими свойствами. Магнетизм возникает в структуре из-за присутствия в материале атомов с неспаренными электронами. Но для возникновения сверхпроводимости электроны спариваются, образуя куперовские пары, которые без энергетических потерь перемещаются по кристаллической решетке. При этом магнитные центры препятствуют образованию электронных пар, поэтому разделить электроны «по обязанностям» не представляется возможным. Одновременно эти два свойства могут возникать только в атомных структурах, в которых возможно спонтанное обращение симметрии по времени.

Исследователи из Дрезденского технического университета, Института физики твердого тела и исследования материалов Ассоциации Лейбница, Национального института передовой промышленной науки и технологии (Токио, Япония) и химического факультета МГУ создали и исследовали такую структуру сверхпроводников состава Ba_1-xK_xFe₂As₂ с нарушенной симметрией относительно обращения времени. Исследователи выяснили, что при x около 0,7 и температуре в 10 кельвин (-263 °C) у материала возникает такое нарушение симметрии. В этом состоянии соединение создает магнитное поле, одновременно проявляя сверхпроводимость.

Авторы изучили соединения этого состава с различным x, для чего синтезировали их монокристаллы в виде тонких пластин с размерами до одного см. Затем ученые анализировали, как материал будет взаимодействовать с пучком мюонов. По изменению магнитного момента пучка частиц ученые определяли магнитную структуру самого кристалла. «Полученные результаты указывают на то, что ряд сверхпроводников при определенных составах показывает малоизученную форму магнетизма. Удивительно, что этот магнетизм порождается сверхпроводимостью, и это делает данное явление особенно интересным. Дальнейшее исследование этого явления открывает новые возможности для создания сверхпроводящих устройств», — объяснил один из ключевых участников исследования, сотрудник Технического университета Дрездена Вадим Гриненко.