Очередь из людей, которые держатся за руки, но смотрят в разные стороны: одни — на север, другие — на юг. Так устроен p-волновой магнит. Электроны в нём выстраивают свои магнитные моменты (спины) не хаотично, а по строгому волнообразному узору. Этот узор сам по себе, без помощи тяжёлых атомов и релятивистских эффектов, раздвигает энергетические уровни для электронов с разным направлением спина — как если бы в той очереди люди, смотрящие на север, оказались чуть выше ростом. Такое раздвижение называют нерелятивистским спиновым расщеплением. Как выяснили авторы, оно способно породить сверхпроводимость с необычными свойствами.
Когда электроны в таком магните начинают притягиваться друг к другу (например, из-за колебаний кристаллической решётки), они образуют пары — куперовские пары, переносчики сверхпроводящего тока. Но из-за того, что спины в паре уже не равноправны, возникает смесь двух типов пар: синглетных, где спины смотрят в противоположные стороны, и триплетных, где они сонаправлены. В обычном сверхпроводнике эти типы не смешиваются. Здесь же магнитный узор заставляет их сосуществовать в одном канале, словно в танце, где партнёры одновременно выполняют и вальс, и танго. Ведущим оказывается состояние, в котором триплетная часть жёстко привязана к оси обменного поля — учёные называют его изинговским смешанно-чётным.
Дальше начинается самое интересное. Если усилить притяжение между соседними атомами, сверхпроводящее состояние меняется: в нём появляются узлы — точки на поверхности Ферми, где энергия связи падает до нуля. Такая фаза становится топологической. На краю образца возникают майорановские моды — экзотические возбуждения, которые ведут себя как половинки электрона. Они защищены от помех не энергетической щелью, а самой топологией: локально их нельзя уничтожить, не изменив глобальных свойств системы. Эти моды «живут» на определённых участках края, ровно под теми направлениями, где в объёме зияют узлы. Добавив внешнее магнитное поле поперёк внутреннего, можно получить ещё один тип топологической фазы — на этот раз с защитой, описываемой числом 0 или 1 (так называемая Z₂-фаза).
Практический итог: p-волновые магниты могут стать полигоном для создания и изучения топологической сверхпроводимости без необходимости в дорогих и сложных материалах с сильным спин-орбитальным взаимодействием. Это шаг к квантовым компьютерам, где информация будет храниться в запутанных майорановских состояниях, почти нечувствительных к дрожанию внешнего мира — как надпись, высеченная на камне, по сравнению с чернилами на бумаге.
В p-волновых магнитах спины электронов выстраиваются так, что их распределение в пространстве напоминает волну с чередующимися гребнями и впадинами — отсюда и буква p, как в атомной p-орбитали.