Fysikere har funnet en forklaring på den paradoksale oppførselen til "veldig skitne" superledere ved lave temperaturer. Disse lovende materialene kan brukes til å lage en kvantecomputer. Ved å forstå hvorfor slike stoffer ikke overholder standardteorien om superledelse, vil forskere kunne lage de mest isolerte qubits - de elementære databehandlingsenhetene til kvantecomputere. Arbeidet til et team av forskere med deltakelse av ansatte ved L. D. Landau RAS ble publisert i tidsskriftet Nature Physics.
Superledere er materialer der elektriske motstander under visse forhold forsvinner fullstendig. Dette betyr at elektrisk strøm kan strømme gjennom ledninger som er laget av et slikt materiale uten tap, mens i konvensjonelle ledninger blir noe av energien forsvunnet som varme. Superledelse ble oppdaget på begynnelsen av 1900-tallet, men den første fenomenologiske teorien som forklarte mange av dens egenskaper ble utviklet i 1950 av Lev Landau og Vitaly Ginzburg. Syv år senere skapte amerikanerne Harry Bardeen, Leon Cooper og John Schrieffer en generell teori om superledelse (den såkalte BCS-teorien), som umiddelbart vant Nobelprisen - fenomenets enorme betydning var så åpenbar.
Blant annet spådde BCS-teorien hvordan superledere skulle oppføre seg i et magnetfelt. Når åkrene er små, skyver slike stoffer dem ut av seg selv, mens de forblir superledende. Denne grunnleggende egenskapen kalles Meissner-effekten. Hvis vi fortsetter å øke feltet, forsvinner på et tidspunkt de superledende egenskapene brått. Verdien som magnetfeltet undertrykker superledningen i materialet kalles det kritiske magnetfeltet. Det avhenger av temperatur: jo kaldere, jo større er det kritiske feltet. Det vil si at når en superleder er ved en temperatur nær den kritiske, er til og med små magnetiske felt tilstrekkelige til å bringe den ut av superledende tilstand,Imidlertid forsvinner denne regelmessigheten med veldig sterk avkjøling (opptil 1/5 av den kritiske temperaturen og under) og det kritiske magnetfeltet slutter å avhenge av temperaturen. For å fjerne et materiale fra en supraledende tilstand, er det nødvendig å bruke et magnetfelt av samme størrelse - det spiller ingen rolle om superlederen holder seg ved denne temperaturen eller til og med avkjøles.
"Dette klassiske avhengighetsbildet gjelder ikke for" veldig skitne "superledere," forklarer en av forfatterne av artikkelen, Mikhail Feigelman fra Institute of Physics oppkalt etter L. D. Landau. - Dette uttrykket betegner superledere laget av metalllegeringer med et sterkt skadet krystallgitter, praktisk talt amorf. Det kritiske magnetfeltet fortsetter å øke omtrent lineært med synkende temperatur til vilkårlig lave verdier som kan oppnås i eksperimentet. Dette faktum var kjent lenge, men han hadde ingen klar forklaring."
I det nye arbeidet kunne forskere forstå hva som er den atypiske oppførselen til "veldig skitne" superledere. Det sentrale eksperimentet som gjorde det mulig å forstå dette var målingen av en annen viktigste parameter for superledere - den kritiske strømmen. Dette er den maksimale verdien av vedvarende strøm som kan strømme i en superleder uten energitap for spredning til varme. Ved høyere strømmer mister stoffet sine superledende egenskaper, det vil si at motstand vises i det, og prøven av stoffet begynner å varme opp. Fysikere har målt hvordan den kritiske strømmen i en superledende indiumoksydfilm avhenger av magnetfeltet. Forskerne førte en strøm gjennom filmen, som befant seg i et magnetfelt, hvis verdi var litt mindre enn den kritiske verdien, og observerte til hvilken verdi av strømmen i prøven superledende oppførsel ville bli ødelagt.
Lignende eksperimenter har blitt utført før. Det unike ved dette arbeidet er at avhengigheten av den maksimale superledende strøm på magnetfeltet i "veldig skitne" superledere ble målt ved magnetiske felt nær kritiske og veldig lave temperaturer. “Overraskende viste det seg at den kritiske strømmen på en veldig enkel måte avhenger av hvor nær magnetfeltet er til den kritiske verdien. Det er et maktrettslig forhold, graden er 3/2, sier Feigelman. I tillegg har forskere bestemt hvordan det kritiske feltet i en indiumoksydfilm avhenger av temperatur.
"Ved å se på resultatene fra disse to eksperimentene, var vi i stand til å forstå hvordan de er relatert," sier Feigelman. - En stabil økning i det kritiske magnetfeltet ved lave temperaturer i "veldig skitne" superledere oppstår på grunn av det faktum at i superledende tilstand, som realiseres i et sterkt magnetfelt, er det termiske svingninger i de såkalte Abrikosov virvler (kvante supercurrent virvler som vises i superledere under effekten av et eksternt magnetfelt, som trenger gjennom superlederen på denne måten). Og vi fant en måte å beskrive disse svingningene på. " Spådommene om teorien skapt av forfatterne beskriver godt de eksperimentelle dataene som er oppnådd.
"Veldig skitne" superledere, også kalt sterkt uordnede superledere, er et aktivt forskningsområde innen moderne fysikk. Vanligvis, jo mer "forstyrrelse" et metall har, jo verre leder det en elektrisk strøm. Med synkende temperatur øker ledningsevnen for forstyrrede metaller. "Veldig skitne" superledere oppfører seg annerledes: i normal tilstand er de svake dielektrika, og når de er avkjølt, leder strøm dårligere og verre, men når de når en kritisk temperatur, forvandles de plutselig til superledere. "En superleder og et dielektrikum er motsatte tilstander i sine egenskaper, og det er derfor det er overraskende at de i slike stoffer kan forvandles til hverandre," forklarer Feigelman. - Selv om "veldig skitne" superledere har blitt studert i 25 år, er en fullverdig teori,som vil forklare alle deres oddititeter, er fremdeles ikke til stede."
Salgsfremmende video:
De siste årene har interessen for forstyrrede superledere i tillegg økt på grunn av fremveksten av nye områder der slike stoffer er etterspurt. For eksempel er "veldig skitne" superledere ideelle for å isolere superledende kvantebiter fra alle slags forstyrrelser - de elementære databehandlingsenhetene til en kvantecomputer. Det er mest praktisk å isolere dem fra omverdenen ved å bruke elementer med veldig høy induktans. Den bestemmer hvor sterk magnetfluxen vil bli skapt av den elektriske strømmen som strømmer i systemet. Induktansen til et stoff er større, jo lavere er tettheten av ledende elementer i det, og denne parameteren avtar med veksten av "skitt" i superledere.
