Fysiker har hittat en förklaring till det paradoxala beteendet hos "mycket smutsiga" superledare vid låga temperaturer. Dessa lovande material kan användas för att skapa en kvantdator. Genom att förstå varför sådana ämnen inte följer standardteorin om supraledningsförmåga, kommer forskare att kunna skapa de mest isolerade qubits - de elementära beräkningsenheterna för kvantdatorer. Arbetet för ett forskarteam med deltagande av anställda vid L. D. Landau RAS publicerades i tidskriften Nature Physics.
Superledare är material där elektriska motstånd under vissa förhållanden försvinner helt. Detta innebär att elektrisk ström kan strömma genom ledningar som är gjorda av detta material utan förlust, medan i konventionella ledningar en del av energin sprids som värme. Supraledningsförmåga upptäcktes i början av 1900-talet, men den första fenomenologiska teorin, som förklarade många av dess egenskaper, utvecklades 1950 av Lev Landau och Vitaly Ginzburg. Sju år senare skapade amerikanerna Harry Bardeen, Leon Cooper och John Schrieffer en allmän teori om supraledning (den så kallade BCS-teorin), som omedelbart vann Nobelpriset - så uppenbar var fenomenets kolossala betydelse.
Bland annat förutspådde BCS-teorin hur superledare borde agera i ett magnetfält. När fälten är små "dyker" sådana ämnen ut ur sig själva medan de förblir superledande. Denna grundläggande egenskap kallas Meissner-effekten. Om vi fortsätter att öka fältet försvinner någon gång de supraledande egenskaperna plötsligt. Värdet vid vilket magnetfältet undertrycker supraledningsförmågan i materialet kallas det kritiska magnetfältet. Det beror på temperaturen: ju kallare, desto större är det kritiska fältet. Det vill säga, när en superledare är vid en temperatur nära den kritiska, till och med små magnetiska fält är tillräckliga för att föra den ut från det supraledande tillståndet,med mycket stark kylning (upp till 1/5 av den kritiska temperaturen och under) försvinner emellertid denna regelbundenhet och det kritiska magnetfältet upphör att bero på temperaturen. För att ta bort ett material från ett superledande tillstånd är det nu nödvändigt att applicera ett magnetfält av samma storlek - det spelar ingen roll om superledaren förblir vid denna temperatur eller till och med svalnar.
"Denna klassiska bild av beroende gäller inte för" väldigt smutsiga "superledare," förklarar en av författarna till artikeln, Mikhail Feigelman från Institute of Physics uppkallad efter L. D. Landå. - Denna term betecknar superledare tillverkade av metalllegeringar med ett mycket skadat kristallgitter, nästan amorft. Det kritiska magnetfältet fortsätter att öka ungefär linjärt med sänkande temperatur till godtyckligt låga värden som kan uppnås experimentellt. Detta faktum var känt länge, men han hade ingen tydlig förklaring."
I det nya arbetet kunde forskare förstå vad som är arten av det atypiska beteendet hos "mycket smutsiga" superledare. Det viktigaste experimentet som gjorde det möjligt att förstå detta var mätningen av en annan viktigaste parameter för superledare - den kritiska strömmen. Detta är det maximala värdet på fördröjd ström som kan strömma i en superledare utan energiförlust för avledning till värme. Vid högre strömmar förlorar ämnet sina supraledande egenskaper, det vill säga motstånd visas i det, och ämnets prov börjar värmas upp. Fysiker har uppmätt hur den kritiska strömmen i en superledande indiumoxidfilm beror på magnetfältet. Forskarna ledde en ström genom filmen, som befann sig i ett magnetfält, vars värde var något mindre än det kritiska värdet, och observerade vid vilket värde på strömmen i provet det superledande beteendet skulle förstöras.
Liknande experiment har genomförts tidigare. Det unika med detta arbete är att beroendet av den maximala superledande strömmen på magnetfältet i "mycket smutsiga" superledare mättes vid magnetfält nära kritiska och mycket låga temperaturer.”Överraskande visade det sig att den kritiska strömmen på ett mycket enkelt sätt beror på hur nära magnetfältet är till det kritiska värdet. Det är en makt-lag-relation, examen är 3/2, säger Feigelman. Dessutom har forskare bestämt hur det kritiska fältet i en indiumoxidfilm beror på temperaturen.
"Genom att titta på resultaten från dessa två experiment kunde vi förstå hur de är relaterade," säger Feigelman. - En stabil ökning av det kritiska magnetfältet vid låga temperaturer i "mycket smutsiga" superledare inträffar på grund av det faktum att i det superledande tillståndet, som realiseras i ett starkt magnetfält, finns termiska fluktuationer hos de så kallade Abrikosov-virvlarna (kvantliga superströmsvortices som förekommer i superledare under effekten av ett externt magnetfält, som tränger igenom superledaren på detta sätt). Och vi hittade ett sätt att beskriva dessa fluktuationer. " Förutsägelserna om teorin skapad av författarna beskriver väl de experimentella uppgifterna.
"Mycket smutsiga" superledare, även kallade högstörda superledare, är ett aktivt forskningsområde inom modern fysik. Vanligtvis, ju mer "störning" en metall har, desto sämre leder den en elektrisk ström. När temperaturen sjunker ökar konduktiviteten för störda metaller. "Mycket smutsiga" superledare bete sig annorlunda: i normalt tillstånd är de svaga dielektrik och, när de kyls, leder ström sämre och sämre, men när de når en kritisk temperatur förvandlas de plötsligt till superledare. "En superledare och ett dielektrikum är motsatta tillstånd i sina egenskaper, varför det är förvånande att de i sådana ämnen kan förvandlas till varandra," förklarar Feigelman. - Även om "väldigt smutsiga" superledare har studerats i 25 år, är en fullständig teori,som skulle förklara alla deras oddititeter, är fortfarande inte närvarande."
Kampanjvideo:
Under de senaste åren har intresset för störda superledare dessutom ökat på grund av uppkomsten av nya områden där sådana ämnen är mycket efterfrågade. Till exempel är "mycket smutsiga" superledare idealiska för att isolera superledande kvantbitar - de elementära beräkningsenheterna på en kvantdator - från alla slags störningar. Det är mest bekvämt att isolera dem från omvärlden med hjälp av element med mycket hög induktans. Det bestämmer hur starkt magnetflödet kommer att skapas av den elektriska strömmen som flyter i systemet. Induktansen hos ett ämne är desto större, desto lägre är densiteten för ledande element i den, och denna parameter minskar med tillväxten av "smuts" i superledare.
