Магнитное поле в 8 тесла — это в 200 раз сильнее поля Земли. При таком поле сверхпроводимость в тонкой плёнке дителлурида палладия не просто выживает, а держится до температуры 20 милликельвинов, что в сто раз холоднее космического пространства. Для сравнения: у толстой плёнки того же материала критическое поле в 80 раз меньше. Секрет — в толщине. Всего 19 нанометров, и квантовый зажим переписывает правила игры.
Сверхпроводимость — это танец электронных пар, которые движутся без сопротивления. Но магнитное поле разрушает этот танец двумя способами. Первый — орбитальный эффект: поле закручивает электроны в вихри, как водовороты в реке. Второй — спиновый, он действует на внутренний магнитный момент электрона, словно заставляя партнёров смотреть в разные стороны. Для тонких плёнок, когда поле лежит в плоскости, орбитальный вклад почти исчезает, и на сцену выходит предел Паули — тот самый рубеж, за которым спиновое расщепление разрывает пары. Классическая формула предполагает, что g-фактор (число, показывающее силу взаимодействия спина с полем) равен двум. Но в PdTe2, как выяснилось, он меняется с толщиной.
Экспериментаторы выращивали плёнки PdTe2 разной толщины — от 19 до 50 нанометров — методом теллуризации палладия. Затем, в Национальной лаборатории высоких магнитных полей, они охлаждали образцы до 20 милликельвинов и измеряли сопротивление в магнитном поле до 8 тесла. Результат оказался неожиданным: критическое поле выросло с 0,1 до 8 тесла, то есть в 27 раз, хотя температура сверхпроводящего перехода почти не изменилась. Анализ с помощью самосогласованного уравнения для энергетической щели показал: эффективный g-фактор растёт с толщиной. В тонких плёнках квантовое ограничение увеличивает зазор между энергетическими подзонами, и вклад высших зон в g-фактор уменьшается. Так тиски нанометрового масштаба сжимают спиновую восприимчивость.
Это открытие — не просто лабораторный курьёз. Оно даёт новый инструмент для настройки сверхпроводящих устройств. Если нужно, чтобы сверхпроводник работал в сильном магнитном поле, можно просто сделать его тоньше. Более того, для трёх самых тонких плёнок модель перестаёт описывать данные ниже 100 милликельвинов — возможно, там появляется необычное спаривание, например триплетное. Это уже мостик к топологическим сверхпроводникам, где спиновые свойства критичны для квантовых вычислений.
Квантовый зажим сработал. Толщина плёнки — 19 нанометров, в 500 раз тоньше человеческого волоса, — переписала предел Паули. И теперь, когда магнитное поле в 8 тесла перестало быть смертным приговором для сверхпроводимости, открывается путь к материалам с программируемыми свойствами. Осталось понять, что скрывается в низкотемпературном расхождении теории и эксперимента — и не окажется ли там ключ к сверхпроводимости нового типа.
Поле 8 Тл, достигнутое для плёнки 19 нм, примерно в 200 раз сильнее магнитного поля Земли. При этом сверхпроводимость сохраняется при температуре всего 20 милликельвинов — это в 100 раз холоднее, чем в космическом пространстве.
Идея управления свойствами материалов через размер напоминает концепцию «умной материи» из научной фантастики, где наноструктуры программируются для получения нужных характеристик. В романе «Алмазный век» Нила Стивенсона нанотехнологии позволяют создавать материалы с заданными свойствами, что перекликается с настройкой сверхпроводимости толщиной плёнки.