Fizycy znaleźli wyjaśnienie paradoksalnego zachowania „bardzo brudnych” nadprzewodników w niskich temperaturach. Te obiecujące materiały można wykorzystać do stworzenia komputera kwantowego. Dzięki zrozumieniu, dlaczego takie substancje nie są zgodne ze standardową teorią nadprzewodnictwa, naukowcy będą w stanie stworzyć najbardziej izolowane kubity - elementarne jednostki obliczeniowe komputerów kwantowych. Praca zespołu naukowców z udziałem pracowników L. D. Landau RAS został opublikowany w czasopiśmie Nature Physics.
Nadprzewodniki to materiały, w których w określonych warunkach opór elektryczny całkowicie zanika. Oznacza to, że prąd elektryczny może przepływać bez strat przez przewody wykonane z tego materiału, podczas gdy w konwencjonalnych drutach część energii jest rozpraszana w postaci ciepła. Nadprzewodnictwo odkryto na początku XX wieku, ale pierwsza teoria fenomenologiczna, która wyjaśniała wiele jego właściwości, została opracowana w 1950 roku przez Lwa Landaua i Witalija Ginzburga. Siedem lat później Amerykanie Harry Bardeen, Leon Cooper i John Schrieffer stworzyli ogólną teorię nadprzewodnictwa (tzw. Teoria BCS), która od razu zdobyła Nagrodę Nobla - tak oczywiste było kolosalne znaczenie tego zjawiska.
Między innymi teoria BCS przewidziała, jak nadprzewodniki powinny zachowywać się w polu magnetycznym. Kiedy pola są małe, substancje takie „wypychają” je z siebie, pozostając nadprzewodzącymi. Ta podstawowa właściwość nazywa się efektem Meissnera. Jeśli będziemy nadal zwiększać pole, w pewnym momencie właściwości nadprzewodzące nagle znikną. Wartość, przy której pole magnetyczne tłumi nadprzewodnictwo w materiale, nazywana jest krytycznym polem magnetycznym. Zależy to od temperatury: im zimniejsza, tym większe pole krytyczne. Oznacza to, że gdy nadprzewodnik ma temperaturę zbliżoną do temperatury krytycznej, nawet niewielkie pola magnetyczne wystarczą, aby wyprowadzić go ze stanu nadprzewodnictwa,jednakże przy bardzo silnym ochłodzeniu (do 1/5 temperatury krytycznej i poniżej) regularność ta zanika i krytyczne pole magnetyczne przestaje zależeć od temperatury. Teraz, aby usunąć materiał ze stanu nadprzewodnictwa, konieczne jest przyłożenie pola magnetycznego o tej samej wielkości - nie ma znaczenia, czy nadprzewodnik pozostaje w tej temperaturze, czy nawet ostygnie.
„Ten klasyczny obraz zależności nie dotyczy„ bardzo brudnych”nadprzewodników” - wyjaśnia jeden z autorów artykułu, Michaił Feigelman z Instytutu Fizyki im. L. D. Lando. - Termin ten oznacza nadprzewodniki wykonane ze stopów metali o silnie zniszczonej sieci krystalicznej, prawie amorficznej. Krytyczne pole magnetyczne nadal rośnie w przybliżeniu liniowo wraz ze spadkiem temperatury do dowolnie niskich wartości, które można osiągnąć eksperymentalnie. Fakt ten był znany od dawna, ale nie miał jasnego wyjaśnienia”.
W nowej pracy naukowcy byli w stanie zrozumieć, jaka jest natura nietypowego zachowania „bardzo brudnych” nadprzewodników. Kluczowym eksperymentem, który pozwolił to zrozumieć, był pomiar innego najważniejszego parametru nadprzewodników - prądu krytycznego. Jest to maksymalna wartość prądu podtrzymywanego, który może przepływać w nadprzewodniku bez strat energii w celu rozproszenia na ciepło. Przy wyższych prądach substancja traci swoje właściwości nadprzewodzące, to znaczy pojawia się w niej opór, a próbka substancji zaczyna się nagrzewać. Fizycy zmierzyli zależność prądu krytycznego w nadprzewodzącej warstwie tlenku indu od pola magnetycznego. Naukowcy przepuścili przez folię prąd znajdujący się w polu magnetycznym, którego wartość była nieco mniejsza od wartości krytycznej, i zaobserwowali, przy jakiej wartości prądu w próbce zachowanie nadprzewodzące zostanie zniszczone.
Podobne eksperymenty przeprowadzono już wcześniej. Wyjątkowość tej pracy polega na tym, że zależność maksymalnego prądu nadprzewodzącego od pola magnetycznego w „bardzo brudnych” nadprzewodnikach była mierzona przy polach magnetycznych bliskich krytycznemu iw bardzo niskich temperaturach. „Niespodziewanie okazało się, że prąd krytyczny w bardzo prosty sposób zależy od tego, jak blisko wartości krytycznej znajduje się pole magnetyczne. To relacja władza-prawo, stopień wynosi 3/2”- mówi Feigelman. Ponadto naukowcy ustalili, w jaki sposób krytyczne pole w warstwie tlenku indu zależy od temperatury.
„Patrząc na wyniki tych dwóch eksperymentów, byliśmy w stanie zrozumieć, jak są one powiązane” - mówi Feigelman. - Stabilny wzrost krytycznego pola magnetycznego w niskich temperaturach w „bardzo brudnych” nadprzewodnikach wynika z faktu, że w stanie nadprzewodnictwa, który jest realizowany w silnym polu magnetycznym, występują fluktuacje termiczne tzw. Wirów Abrikosowa (kwantowych wirów nadprądowych, które pojawiają się w nadprzewodnikach pod wpływ zewnętrznego pola magnetycznego, które przenika w ten sposób do nadprzewodnika). I znaleźliśmy sposób na opisanie tych wahań”. Przewidywania teorii stworzone przez autorów dobrze opisują uzyskane dane eksperymentalne.
„Bardzo brudne” nadprzewodniki, zwane również nadprzewodnikami wysoce nieuporządkowanymi, stanowią aktywny obszar badań współczesnej fizyki. Zwykle im więcej „nieładu” ma metal, tym gorzej przewodzi prąd elektryczny. Wraz ze spadkiem temperatury wzrasta przewodnictwo nieuporządkowanych metali. „Bardzo brudne” nadprzewodniki zachowują się inaczej: w normalnym stanie są słabymi dielektrykami i po schłodzeniu przewodzą prąd coraz gorzej, ale po osiągnięciu temperatury krytycznej nagle przekształcają się w nadprzewodniki. „Nadprzewodnik i dielektryk to przeciwne stany w swoich właściwościach, dlatego zaskakujące jest, że w takich substancjach mogą się wzajemnie przekształcać” - wyjaśnia Feigelman. - Chociaż „bardzo brudne” nadprzewodniki były badane przez 25 lat, to pełna teoria,co wyjaśniałoby wszystkie ich dziwactwa, wciąż nie jest obecne."
Film promocyjny:
W ostatnich latach zainteresowanie nieuporządkowanymi nadprzewodnikami dodatkowo wzrosło ze względu na pojawienie się nowych obszarów, w których takie substancje są bardzo poszukiwane. Na przykład „bardzo brudne” nadprzewodniki są idealne do izolowania bitów nadprzewodzących od wszelkiego rodzaju zakłóceń - elementarnych jednostek obliczeniowych komputera kwantowego. Najwygodniej jest je odizolować od świata zewnętrznego za pomocą elementów o bardzo dużej indukcyjności. Określa, jak silny strumień magnetyczny zostanie wytworzony przez prąd elektryczny płynący w układzie. Indukcyjność substancji jest tym większa, im mniejsza jest gęstość zawartych w niej elementów przewodzących, a parametr ten maleje wraz ze wzrostem „zabrudzenia” w nadprzewodnikach.