Физиците са намерили обяснение за парадоксалното поведение на "много мръсни" свръхпроводници при ниски температури. Тези обещаващи материали могат да бъдат използвани за създаване на квантов компютър. Разбирайки защо такива вещества не се подчиняват на стандартната теория за свръхпроводимост, учените ще могат да създадат най-изолираните кубити - елементарните изчислителни единици на квантовите компютри. Работата на екип от изследователи с участието на служители на L. D. Landau RAS е публикуван в списанието Nature Physics.
Свръхпроводниците са материали, в които при определени условия електрическото съпротивление напълно изчезва. Това означава, че електрическият ток може да тече през проводници, които са направени от този материал без загуба, докато в конвенционалните проводници част от енергията се разсейва като топлина. Свръхпроводимостта е открита в началото на 20 век, но първата феноменологична теория, която обяснява много от нейните свойства, е разработена през 1950 г. от Лев Ландау и Виталий Гинзбург. Седем години по-късно американците Хари Бардин, Леон Купър и Джон Шрифер създават обща теория за свръхпроводимост (т. Нар. Теория на БКС), която веднага печели Нобеловата награда - огромното значение на явлението е толкова очевидно.
Освен всичко друго, теорията на BCS предсказа как свръхпроводниците трябва да се държат в магнитно поле. Когато полетата са малки, такива вещества ги "изтласкват" от себе си, като същевременно остават свръхпроводими. Това основно свойство се нарича ефект на Майснер. Ако продължим да увеличаваме полето, в един момент свръхпроводящите свойства рязко изчезват. Стойността, с която магнитното поле потиска свръхпроводимостта в материала, се нарича критично магнитно поле. Зависи от температурата: колкото по-студена е, толкова по-голямо е критичното поле. Тоест, когато свръхпроводникът е при температура, близка до критичната, дори малки магнитни полета са достатъчни, за да го изведат от свръхпроводящо състояние, т.е.обаче при много силно охлаждане (до 1/5 от критичната температура и по-ниска) тази закономерност изчезва и критичното магнитно поле престава да зависи от температурата. Сега, за да се премахне материал от свръхпроводящо състояние, е необходимо да се приложи магнитно поле със същата величина - няма значение дали свръхпроводникът остава при тази температура или дори се охлажда.
„Тази класическа картина на зависимостта не се отнася за„ много мръсни “свръхпроводници“, обяснява един от авторите на статията Михаил Фейгелман от Института по физика, наречен на L. D. Ландау. - Този термин обозначава свръхпроводници, изработени от метални сплави със силно повредена кристална решетка, практически аморфна. Критичното магнитно поле продължава да нараства приблизително линейно с понижаване на температурата до произволно ниски стойности, които могат да бъдат постигнати в експеримента. Този факт беше известен отдавна, но той нямаше ясно обяснение."
В новата работа учените успяха да разберат каква е природата на нетипичното поведение на "много мръсни" свръхпроводници. Ключовият експеримент, който направи възможно да се разбере това, беше измерването на друг най-важен параметър на свръхпроводниците - критичния ток. Това е максималната стойност на постоянен ток, който може да тече в свръхпроводник без загуба на енергия за разсейване в топлината. При по-високи токове веществото губи своите свръхпроводящи свойства, тоест в него се появява устойчивост и пробата на веществото започва да се нагрява. Физиците са измерили как критичният ток в свръхпроводящ филм на индиев оксид зависи от магнитното поле. Учените прокарали ток през филма, който се намирал в магнитно поле, чиято стойност е малко по-малка от критичната и наблюдавали при каква стойност на тока в пробата свръхпроводящото поведение ще бъде унищожено.
Подобни експерименти са правени и преди. Уникалността на тази работа е, че зависимостта на максималния свръхпроводящ ток от магнитното поле в "много мръсни" свръхпроводници е измерена в магнитни полета, близки до критични и много ниски температури. „Изненадващо се оказа, че критичният ток по много прост начин зависи от това колко близо е магнитното поле до критичната стойност. Това е правомощийна връзка, степента е 3/2 “, казва Фейгелман. Освен това учените са определили как критичното поле във филма на оксид на индий зависи от температурата.
„Разглеждайки резултатите от тези два експеримента, успяхме да разберем как са свързани”, казва Фейгелман. - Стабилно увеличение на критичното магнитно поле при ниски температури в "много мръсни" свръхпроводници се случва поради факта, че в свръхпроводящо състояние, което се реализира в силно магнитно поле, има топлинни колебания на така наречените вихри Абрикосов (квантови свръхтокви вихри, които се появяват в свръхпроводници под ефектът на външно магнитно поле, което прониква по свръхпроводника по този начин). И намерихме начин да опишем тези колебания. " Прогнозите на теорията, създадена от авторите, добре описват получените експериментални данни.
"Много мръсни" свръхпроводници, наричани още силно неуредични свръхпроводници, са активна област на изследване в съвременната физика. Обикновено колкото повече "разстройство" има един метал, толкова по-лошо той провежда електрически ток. С понижаване на температурата проводимостта на неуредичните метали се увеличава. "Много мръсни" свръхпроводници се държат по различен начин: в нормално състояние те са слаби диелектрици и когато се охлаждат, провеждат ток по-лошо и по-лошо, но при достигане на критична температура, те внезапно се превръщат в свръхпроводници. "Свръхпроводникът и диелектрикът са противоположни състояния в своите свойства, поради което е изненадващо, че в такива вещества те могат да се трансформират едно в друго", обяснява Фейгелман. - Въпреки че "много мръсни" свръхпроводници се изучават в продължение на 25 години, пълна теория,което би обяснило всичките им странности, все още няма."
Промоционално видео:
През последните години интересът към неуредичните свръхпроводници допълнително се увеличава поради появата на нови области, където такива вещества са с голямо търсене. Например, "много мръсни" свръхпроводници са идеални за изолиране на свръхпроводящи квантови битове от всички видове смущения - елементарните изчислителни единици на квантовия компютър. Най-удобно е да ги изолирате от външния свят, като използвате елементи с много висока индуктивност. Той определя колко силен ще бъде създаден магнитният поток от електрическия ток, протичащ в системата. Индуктивността на веществото е колкото по-голяма, толкова по-ниска е плътността на проводящите елементи в него и този параметър намалява с нарастването на „мръсотията“в свръхпроводниците.
