To stąd bierze się magia nadprzewodników. Naukowcy rozpracowali ich szczególny rodzaj

Postępy dokonane przez badaczy z japońskiego RIKEN ukazują nadprzewodniki w nowym świetle. Fizycy zajmujący się badaniem tajemnic tych materiałów wykorzystali ich reakcje elektromagnetyczne do identyfikacji cech, które dotychczas pozostawały poza zasięgiem.
To stąd bierze się magia nadprzewodników. Naukowcy rozpracowali ich szczególny rodzaj

W centrum zainteresowania znalazły się tzw. fermiony Majorany, będące stanami kwantowymi występującymi na powierzchni materiału. Ich istnienie stanowi pokłosie niskich temperatur, w których elektrony zaczynają zachowywać się w niespotykany zwykle sposób, Łączą się w pary bądź większe grupy i poruszają się tak, jakby wciąż były pojedynczymi obiektami. 

Czytaj też: Rewolucja w technologii kwantowej! Fizycy walczyli z tą zagadką od lat

Generowane w takich okolicznościach nadprzewodnictwo wzbudza wśród naukowców masę emocji, ponieważ mogłoby zapewnić szereg praktycznych zastosowań. Wyobraźmy sobie, jak rewolucyjne byłoby ono w kontekście transportu energii elektrycznej, która mogłaby być przenoszona bez jakichkolwiek strat. 

Jednym z niedawno odkrytych rodzajów są nadprzewodniki topologiczne. O ile zwykle układy znane jako pary Coopera powstają w wyniku oddziaływań między elektronami i drganiami atomowymi, co prowadzi do powstawania symetrycznych struktur, tak w nadprzewodnikach topologicznych sprawy mają się zupełnie inaczej. Występujące w nich symetrie są znacznie bardziej złożone.

Fizycy zajmujący się specjalnym rodzajem nadprzewodników przeprowadzili badania poświęcone tzw. fermionom Majorany

W ostateczności prowadzi to do pojawiania się wspomnianych fermionów Majorany. Ich istnienie przewidywał Ettore Majorana w 1937 roku, a po latach wiemy między innymi, że para takich fermionów pojawia się na powierzchniach topologicznych nadprzewodników o symetrii odwrócenia czasu. Takowe zachowywałyby się identycznie nawet w razie odwrócenia czasu, a ich odpowiedź elektromagnetyczną zmienia się w zależności od kierunku. 

Może się jednak zdarzyć, że pary Coopera złamią symetrię odwrócenia czasu, co doprowadzi do sytuacji, w której fermiony Majorany przestaną tworzyć pary. Jest to możliwe w odniesieniu do wąskiego grona materiałów. Takowe zalicza się do topologicznych nadprzewodników łamiących symetrię odwrócenia czasu. W ich przypadku, jak wyjaśniają autorzy nowych badań, pojedynczy fermion Majorany pojawia się na granicy i jest elektrycznie obojętny.

Czytaj też: Fizycy odkryli nowy wymiar światła. Jego powiązanie z czasem jest zadziwiające

W konsekwencji nie dochodzi do interakcji z polami, co pozwala zrozumieć, dlaczego fizycy mieli dotychczas tak ograniczone możliwości w zakresie badania fermionów Majorany. Japońscy badacze postanowili rozszerzyć koncepcję odpowiedzi wielobiegunowych Majorany na łamiące symetrię odwrócenia czasu topologiczne nadprzewodniki, dzięki czemu zidentyfikowali podstawowe właściwości elektromagnetyczne fermionów Majorany w nadprzewodnikach topologicznych. Artykuł w tej sprawie jest dostępny w Physical Review B.