Объяснено аномальное поведение «очень грязных» сверхпроводников

Физики нашли объяснение парадоксальному поведению «очень грязных» сверхпроводников при низких температурах. Эти перспективные материалы можно будет использовать при создании квантового компьютера. Поняв, почему такие вещества не подчиняются стандартной теории сверхпроводимости, ученые смогут создавать максимально изолированные кубиты — элементарные вычислительные единицы квантовых компьютеров. Работа коллектива исследователей при участии сотрудников Института теоретической физики имени Л.Д. Ландау РАН опубликована в журнале Nature Physics.

Сверхпроводниками называют материалы, в которых при определенных условиях полностью пропадает электрическое сопротивление. Это означает, что электрический ток может протекать по проводам, которые сделаны из такого материала, без потерь, в то время как в обычных проводах часть энергии рассеивается в виде тепла. Сверхпроводимость открыли в начале XX века, но первую феноменологическую теорию, которая объяснила многие ее свойства, разработали в 1950 году Лев Ландау и Виталий Гинзбург. Спустя семь лет американцы Гарри Бардин, Леон Купер и Джон Шриффер создали общую теорию сверхпроводимости (так называемая теория БКШ), которая немедленно удостоилась Нобелевской премии — настолько очевидна была колоссальная значимость явления.

В числе прочего теория БКШ предсказывала, как сверхпроводники должны вести себя в магнитном поле. Когда поля небольшие, такие вещества «выталкивают» их из себя, оставаясь при этом сверхпроводящими. Это фундаментальное свойство называется эффектом Мейснера. Если продолжить увеличивать поле, в какой-то момент сверхпроводящие свойства резко пропадают. Значение, при котором магнитное поле подавляет в материале сверхпроводимость, называют критическим магнитным полем. Оно зависит от температуры: чем холоднее, тем критическое поле больше. То есть когда сверхпроводник находится при температуре, близкой к критической, достаточно даже небольших магнитных полей, чтобы вывести его из сверхпроводящего состояния, однако при очень сильном охлаждении (до 1/5 от критической температуры и ниже) эта закономерность исчезает и критическое магнитное поле перестает зависеть от температуры. Теперь, чтобы вывести материал из сверхпроводящего состояния, нужно приложить магнитное поле одной и той же величины — неважно, останется ли сверхпроводник при этой температуре или еще охладится.

«Эта классическая картина зависимости не выполняется для "очень грязных" сверхпроводников, — объясняет один из авторов статьи, Михаил Фейгельман из ИТФ имени Л.Д. Ландау. — Этим термином обозначают сверхпроводники, сделанные из сплавов металлов с сильно нарушенной кристаллической решеткой, практически аморфных. Критическое магнитное поле продолжает примерно линейно увеличиваться при понижении температуры до сколь угодно низких значений, которые можно достичь в эксперименте. Этот факт был известен давно, но никакого внятного объяснения у него не было».

В новой работе ученые смогли понять, какова природа нетипичного поведения «очень грязных» сверхпроводников. Ключевым экспериментом, который позволил это понять, стало измерение еще одного важнейшего параметра сверхпроводников — критического тока. Это максимальное значение незатухающего тока, который может протекать в сверхпроводнике без потерь энергии на рассеяние в тепло. При бо́льших токах вещество теряет сверхпроводящие свойства, то есть в нем появляется сопротивление, и образец вещества начинает нагреваться. Физики измеряли, как критический ток в сверхпроводящей пленке из оксида индия зависит от магнитного поля. Ученые пропускали ток через пленку, находящуюся в магнитном поле, значение которого было чуть меньше критического, и наблюдали, при каком значении тока в образце разрушится сверхпроводящее поведение.

Подобные эксперименты проводились и раньше. Уникальность этой работы в том, что зависимость максимального сверхпроводящего тока от магнитного поля в «очень грязных» сверхпроводниках была измерена при магнитных полях, близких к критическим, и очень низких температурах. «Неожиданно оказалось, что критический ток очень простым образом зависит от того, насколько магнитное поле близко к критическому значению. Это степенная зависимость, степень равна 3/2», — говорит Фейгельман. Кроме того, ученые определили, как критическое поле в пленке оксида индия зависит от температуры.

«Глядя на результаты этих двух экспериментов, мы смогли понять, как они взаимосвязаны, — рассказывает Фейгельман. — Стабильное повышение критического магнитного поля при низких температурах в "очень грязных" сверхпроводниках происходит из-за того, что в сверхпроводящем состоянии, которое реализуется в сильном магнитном поле, существуют тепловые флуктуации так называемых абрикосовских вихрей (квантовые вихри сверхтока, которые появляются в сверхпроводниках под воздействием внешнего магнитного поля, которое именно таким образом проникает в сверхпроводник). И мы нашли способ, как описать эти флуктуации». Предсказания созданной авторами работы теории хорошо описывают полученные экспериментальные данные.

«Очень грязные» сверхпроводники, также называемые сильно неупорядоченными сверхпроводниками, представляют собой активную область исследований в современной физике. Обычно, чем больше «беспорядка» в металле, тем хуже он проводит электрический ток. При понижении температуры проводимость неупорядоченных металлов увеличивается. «Очень грязные» сверхпроводники ведут себя иначе: в обычном состоянии они являются слабыми диэлектриками и при охлаждении проводят ток все хуже и хуже, но по достижении критической температуры скачкообразно превращаются в сверхпроводники. «Сверхпроводник и диэлектрик — противоположные по свойствам состояния, именно поэтому удивительно, что в таких веществах они могут переходить одно в другое, — поясняет Фейгельман. — Хотя "очень грязные" сверхпроводники изучают уже 25 лет, полноценной теории, которая бы объясняла все их странности, до сих пор нет».

В последние годы интерес к неупорядоченным сверхпроводникам дополнительно возрос благодаря появлению новых областей, где такие вещества оказались очень востребованными. Например, «очень грязные» сверхпроводники идеально подходят для изоляции от всевозможных помех сверхпроводящих квантовых битов — элементарных вычислительных единиц квантового компьютера. Удобнее всего изолировать их от внешнего мира при помощи элементов с очень высокой индуктивностью. Она определяет, насколько силен будет магнитный поток, создаваемый протекающим в системе электрическим током. Индуктивность вещества тем больше, чем меньше в нем плотность проводящих элементов, а этот параметр уменьшается с ростом «грязи» в сверхпроводниках.

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.

Пресс-релизы о научных исследованиях, информацию о последних вышедших научных статьях и анонсы конференций, а также данные о выигранных грантах и премиях присылайте на адрес science@indicator.ru.