Триплетная сверхпроводимость в NbRe: квантовый прорыв на пути к топологическим кубитам

Представьте провод, по которому ток течёт вообще без потерь — и при этом ещё переносит информацию о спине электронов. Не просто электрический ток, а спиновый. Именно такое состояние вещества предсказывала теория, и именно его зафиксировала команда под руководством профессора Якоба Линдера из Норвежского университета науки и технологий в сплаве ниобий-рений — при температуре 7 кельвинов. Статья опубликована в Physical Review Letters с рекомендацией редакции — знак того, что рецензенты сочли открытие выдающимся.

Откуда всё началось: история одного пробела

Обычная сверхпроводимость открыта ещё в 1911 году: ртуть при охлаждении до 4 К вдруг перестаёт сопротивляться электрическому току. Объяснение пришло лишь в 1957-м: Бардин, Купер и Шриффер показали, что электроны в сверхпроводнике спариваются в так называемые куперовские пары. Эти пары ведут себя как единое целое и двигаются без рассеяния.

Долгое время считалось, что куперовские пары всегда формируются с противоположными спинами — один электрон «вверх», другой «вниз». Это синглетное спаривание: суммарный спин пары равен нулю, состояние антисимметрично. Теория работала хорошо, и в большинстве известных сверхпроводников именно так и происходит.

Но в 1970-х теоретики начали понимать: принцип симметрии не запрещает другой вариант. Если оба электрона пары имеют одинаковый спин — оба «вверх» или оба «вниз» — возникает триплетное спаривание. У такой пары суммарный спин равен 1, а не 0. Это меняет всё: триплетный сверхпроводник может переносить не только электрический, но и спиновый ток без потерь. А спиновый ток — это уже язык квантовых компьютеров.

Поиск триплетных сверхпроводников превратился в отдельное направление физики. Главный кандидат — перовскит Sr₂RuO₄ — изучался десятилетиями. В 1994 году в нём заявили о триплетном спаривании p-волнового типа. Но к 2019 году тщательные измерения сдвигов Найта опровергли ключевой аргумент. Дискуссия не утихает до сих пор. Теллурид урана UTe₂ и тяжелофермионный UPt₃ — другие горячие кандидаты, но и там окончательная ясность отсутствует.

Проблема общая: доказать триплетное спаривание крайне сложно. Нужен не просто сверхпроводник, а устройство, в котором можно наблюдать следствия триплетности. Именно здесь в игру вступает материал NbRe.

Что открыли: спины в одном направлении

NbRe — сплав ниобия и рения — относится к классу нецентросимметричных сверхпроводников.

Нецентросимметричный сверхпроводник — материал, кристаллическая решётка которого лишена центра инверсии. Из-за этого нарушения симметрии становится возможным смешение синглетного и триплетного состояний спаривания, запрещённое в обычных (центросимметричных) материалах.

Именно отсутствие центра симметрии в NbRe позволяет синглетным и триплетным компонентам сосуществовать в одном материале — теоретически. Вопрос в том, как это доказать.

Команда Линдера использовала изящный подход: эффект инверсного спинового клапана.

Спиновый клапан — устройство из двух ферромагнитных слоёв, электрическое сопротивление которого зависит от взаимной ориентации намагниченности слоёв. Когда намагниченности параллельны, сопротивление минимально; при антипараллельной ориентации — максимально. Инверсный спиновый клапан — обратная ситуация: сопротивление выше при параллельном расположении.

Устройство собрали по схеме Py/NbRe/Py с антиферромагнитным покрытием α-Fe₂O₃. Здесь Py — пермаллой, классический ферромагнит. Два слоя пермаллоя «сжимают» NbRe с двух сторон. Антиферромагнетик α-Fe₂O₃ поверх одного из слоёв создаёт разные коэрцитивные силы у каждого из них — и позволяет независимо управлять их намагниченностью.

Физики охладили это устройство ниже критической температуры NbRe (~7 К) и начали измерять сверхпроводящие критические токи при разных ориентациях намагниченности ферромагнитных слоёв.

Результат: критический ток оказался выше при антипараллельной ориентации, чем при параллельной — классический инверсный спиновый клапан. Это прямое экспериментальное свидетельство того, что триплетные куперовские пары с одинаковыми спинами проникают из NbRe в ферромагнитные слои. Обычные синглетные пары там мгновенно уничтожаются обменным полем ферромагнетика, а триплетные — нет.

Как это работает: устройство изнутри

Ключ к пониманию — в природе нецентросимметричности NbRe. В обычном сверхпроводнике кристаллическая решётка инвариантна относительно инверсии: если вы «зеркально отразите» всю структуру в точке, ничего не изменится. В NbRe это не так — и из-за нарушения симметрии возникает антисимметричное спин-орбитальное взаимодействие.

Спин-орбитальное взаимодействие — взаимодействие собственного момента импульса электрона (спина) с его орбитальным движением. В нецентросимметричных кристаллах оно принимает особую форму и «смешивает» состояния с разными спинами.

Это смешение создаёт условие: синглетный параметр порядка вблизи границ с ферромагнетиком конвертируется в триплетный. Неоднородное намагничивание на интерфейсе NbRe/Py — своего рода «переводчик» между языками синглета и триплета.

Параметр порядка сверхпроводника — квантово-механическая величина, описывающая сверхпроводящее состояние. Его изменение на границе двух материалов определяет, какой тип куперовских пар проникает из сверхпроводника в соседний слой.

Когда оба слоя пермаллоя намагничены параллельно, ситуация на обоих интерфейсах одинакова. Триплетные пары с суммарным спином +1 и -1 генерируются симметрично и взаимно компенсируются. Когда ориентация антипараллельна — компенсация нарушается, и пары с одинаковым спином начинают преобладать. Они свободно проникают глубоко в ферромагнитный слой. Это и есть инверсный спиновый клапан.

Критически важно: температура критического перехода NbRe составляет около 7 К. Это примерно в семь раз выше, чем у Sr₂RuO₄ (~1 К), и делает NbRe значительно более практичным материалом для будущих устройств.

Критическая температура (Tc) — температура, ниже которой материал переходит в сверхпроводящее состояние. Чем выше Tc, тем дешевле и проще охлаждение для практического применения.

Почему это меняет всё

Связь с квантовыми компьютерами неочевидна, но глубока. Современные квантовые компьютеры страдают от одной главной болезни — декогеренции: квантовая информация в кубите разрушается из-за взаимодействия с окружающей средой буквально за микросекунды. Именно поэтому квантовые компьютеры до сих пор работают только в условиях жесточайшей изоляции.

Топологические кубиты, основанные на частицах Майораны, обещают принципиально иное решение.

Частицы Майораны — гипотетические (а в физике конденсированного состояния — реализуемые) квазичастицы, являющиеся собственными античастицами. Квантовая информация, закодированная в паре частиц Майораны, нелокальна — она «размазана» по пространству и потому защищена от локальных возмущений.

Триплетные сверхпроводники, особенно с нетривиальной топологией зонной структуры, теоретически способны порождать состояния Майораны на своих границах. Это делает NbRe кандидатом для создания топологически защищённых кубитов.

Отдельное направление — спинтроника. Устройства, переносящие спиновый ток вместо электрического, потребляют значительно меньше энергии. Триплетный сверхпроводник, переносящий спиновый ток без диссипации, — потенциальная основа для квантовых логических элементов нового поколения.

Наконец, поиск материалов для квантовых устройств ведётся широким фронтом

. В отличие от теоретических предсказаний для МХенов, здесь — реальный эксперимент с измеримым и воспроизводимым сигналом.

Критический взгляд

Дисклеймер: Этот анализ основан на открытых данных и тексте статьи. Автор не является профильным специалистом по физике конденсированного состояния и не претендует на экспертную рецензию.

Сильные стороны:

• Статья опубликована в Physical Review Letters с редакционной рекомендацией. Это один из самых строгих рецензируемых журналов в физике — «проходной балл» здесь крайне высок.
• Температура 7 К — принципиально выше, чем у ближайших конкурентов. Это делает NbRe намного более доступным для лабораторных исследований: жидкий гелий при таких температурах обходится в разы дешевле, чем при 1 К.
• Устройство с прямолинейной архитектурой (Py/NbRe/Py) позволяет интерпретировать результаты относительно однозначно — меньше пространства для альтернативных объяснений.
• Задействованы и теоретики (QuSpin, Линдер), и экспериментаторы (итальянская группа) — проверка результатов с двух сторон.

Ограничения:

• Результаты пока не воспроизведены независимыми группами. В физике конденсированного состояния это принципиально важно: история знает случаи, когда убедительные результаты не подтверждались в других лабораториях.
• Триплетное спаривание заявлялось раньше — в Sr₂RuO₄, UPt₃, UTe₂ — и каждый раз вызывало острые дискуссии. Эффект инверсного спинового клапана является косвенным свидетельством, а не прямым измерением симметрии параметра порядка.
• Производство качественных устройств Py/NbRe/Py требует высокоточного магнетронного напыления и строгого контроля интерфейсов. Тиражирование такой технологии — нетривиальная задача.
• 7 К всё ещё требует жидкогелиевого охлаждения — это дорогостоящая и громоздкая инфраструктура, несовместимая с компактными потребительскими устройствами.

Открытые вопросы:

• Смогут ли другие лаборатории воспроизвести наблюдаемый инверсный спиновый клапан в NbRe? Это главный вопрос ближайших лет.
• Как перейти от лабораторного трёхслойного устройства к рабочему топологическому кубиту? Технологический разрыв здесь колоссальный.
• Можно ли надёжно создавать и манипулировать частицами Майораны в системах на основе NbRe — или это пока только теоретическая перспектива?

Что дальше

Норвежская группа QuSpin под руководством Линдера — один из ведущих теоретических центров по сверхпроводящей спинтронике. Параллельно мировое сообщество активно исследует другие нецентросимметричные сверхпроводники: Li₂Pt₃B, BiPd, CePt₃Si. Если NbRe подтвердит свой статус независимыми группами, это придаст импульс всему направлению.

Следующим шагом для самой группы, вероятно, станут транспортные измерения спинового тока непосредственно через триплетный компонент, а также поиск сигнатур топологических краевых состояний — первого косвенного признака частиц Майораны. Именно такие эксперименты могут превратить красивый результат в PRL в фундамент для квантовых технологий следующего поколения.

Пока это лишь очень обнадёживающий первый шаг — но шаг в правильном направлении.