Fiziki so našli razlago za paradoksalno vedenje "zelo umazanih" superprevodnikov pri nizkih temperaturah. Ti obetavni materiali se lahko uporabijo za ustvarjanje kvantnega računalnika. Z razumevanjem, zakaj takšne snovi ne upoštevajo standardne teorije o superprevodnosti, bodo znanstveniki lahko ustvarili najbolj izolirane kvite - elementarne računalniške enote kvantnih računalnikov. Delo ekipe raziskovalcev s sodelovanjem zaposlenih v L. D. Landau RAS je bil objavljen v reviji Nature Physics.
Superprevodniki so materiali, pri katerih pod določenimi pogoji električni upor popolnoma izgine. To pomeni, da lahko električni tok teče skozi žice, ki so narejene iz tega materiala, brez izgub, medtem ko v običajnih žicah del energije odvaja kot toplota. Superprevodnost je bila odkrita v začetku 20. stoletja, vendar je prvo fenomenološko teorijo, ki je pojasnila številne njene lastnosti, leta 1950 razvila Lev Landau in Vitaly Ginzburg. Sedem let pozneje so Američani Harry Bardeen, Leon Cooper in John Schrieffer ustvarili splošno teorijo o superprevodljivosti (tako imenovana teorija BCS), ki je takoj dobila Nobelovo nagrado - ogromen pomen pojava je bil tako očiten.
Med drugim je teorija BCS predvidela, kako naj se superprevodniki obnašajo v magnetnem polju. Kadar so polja majhna, jih take snovi "potisnejo" iz sebe, medtem ko ostanejo superprevodne. Ta temeljna lastnost se imenuje Meissnerjev učinek. Če nadaljujemo s povečevanjem polja, na neki točki superprevodne lastnosti nenadoma izginejo. Vrednost, s katero magnetno polje zavira superprevodnost v materialu, se imenuje kritično magnetno polje. Odvisno je od temperature: hladnejša je, večja je kritično polje. Ko je superprevodnik pri temperaturi blizu kritične, zadostujejo tudi majhna magnetna polja, da ga izpeljemo iz superprevodnega stanja,vendar z zelo močnim hlajenjem (do 1/5 kritične temperature in nižje) ta pravilnost izgine in kritično magnetno polje preneha odvisno od temperature. Zdaj je za odstranitev materiala iz superprevodnega stanja potrebno uporabiti magnetno polje enake velikosti - ni pomembno, ali superprevodnik ostane pri tej temperaturi ali se celo ohladi.
"Ta klasična slika odvisnosti ne drži za" zelo umazane "superprevodnike," pojasnjuje eden od avtorjev članka Mihael Feigelman z Inštituta za fiziko po imenu L. D. Landau. - Ta izraz označuje superprevodnike iz kovinskih zlitin z zelo poškodovano kristalno rešetko, skoraj amorfno. Kritično magnetno polje še naprej narašča približno linearno z zniževanjem temperature na poljubno nizke vrednosti, ki jih je mogoče doseči eksperimentalno. To dejstvo je bilo znano dolgo, vendar ni imel jasne razlage."
V novem delu so znanstveniki lahko razumeli, kakšna je narava netipičnega vedenja "zelo umazanih" superprevodnikov. Ključni poskus, ki je omogočil razumevanje tega, je bila meritev še enega najpomembnejšega parametra superprevodnikov - kritičnega toka. To je največja vrednost stalnega toka, ki lahko teče v superprevodniku brez izgube energije za odvajanje v toploto. Pri večjih tokovih snov izgubi svoje superprevodne lastnosti, to je, da se v njej pojavi upor in vzorec snovi se začne segrevati. Fiziki so izmerili, kako je kritični tok v superprevodnem filmu indijevega oksida odvisen od magnetnega polja. Znanstveniki so skozi film, ki je bil v magnetnem polju, prenašali tok, katerega vrednost je bila nekoliko manjša od kritičnega, in opazovali, pri kateri vrednosti toka v vzorcu se bo superprevodno vedenje uničilo.
Podobni poskusi so bili izvedeni že prej. Edinstvenost tega dela je v tem, da je bila odvisnost največjega superprevodnega toka od magnetnega polja v "zelo umazanih" superprevodnikih izmerjena na magnetnih poljih blizu kritičnih in zelo nizkih temperatur. "Presenetljivo se je izkazalo, da je kritični tok na zelo preprost način odvisen od tega, kako blizu je magnetnega polja do kritične vrednosti. To je razmerje med močjo in pravom, stopnja je 3/2, "pravi Feigelman. Poleg tega so znanstveniki določili, kako je kritično polje v filmu indijevega oksida odvisno od temperature.
"Če smo pogledali rezultate teh dveh poskusov, smo lahko razumeli, kako sta povezana," pravi Feigelman. - Do stabilnega povečanja kritičnega magnetnega polja pri nizkih temperaturah pri "zelo umazanih" superprevodnikih pride zaradi dejstva, da v superprevodnem stanju, ki se realizira v močnem magnetnem polju, pride do toplotnih nihanj tako imenovanih Abrikosovih vrtincev (kvantnih nadtokovnih vrtincev, ki se pojavljajo v superprevodnikih pod učinek zunanjega magnetnega polja, ki na ta način prodre v superprevodnik). In našli smo način, kako opisati ta nihanja. " Predvidevanja teorije, ki so jih ustvarili avtorji, dobro opisujejo pridobljene eksperimentalne podatke.
"Zelo umazani" superprevodniki, imenovani tudi zelo neurejeni superprevodniki, so aktivno področje raziskav sodobne fizike. Običajno bolj ko je kovina bolj "motnja", slabše vodi električni tok. Z zniževanjem temperature se prevodnost neurejenih kovin poveča. "Zelo umazani" superprevodniki se obnašajo drugače: v normalnem stanju so šibki dielektriki in, ko se ohladijo, vodijo tok vse slabše in slabše, a ko dosežejo kritično temperaturo, se nenadoma spremenijo v superprevodnike. "Superprevodnik in dielektrik sta v svojih lastnostih nasprotni stanji, zato je presenetljivo, da se lahko v takih snoveh preoblikujejo med seboj," razlaga Feigelman. - Čeprav "zelo umazane" superprevodnike preučujemo 25 let, je popolna teorija,ki bi razložil vse njihove nenavade, še vedno ni."
Promocijski video:
V zadnjih letih se je zanimanje za neurejene superprevodnike še povečalo zaradi novih območij, kjer so takšne snovi veliko povpraševanje. Na primer, "zelo umazani" superprevodniki so idealni za izolacijo superprevodnih kvantnih bitov od vseh vrst motenj - osnovne računalniške enote kvantnega računalnika. Najbolj priročno jih je izolirati od zunanjega sveta z elementi z zelo visoko induktivnostjo. Določa, kako močan bo magnetni tok ustvarjen z električnim tokom, ki teče v sistemu. Induktivnost snovi je večja, manjša je gostota prevodnih elementov v njej in ta parameter se zmanjšuje z rastjo "umazanije" v superprevodnikih.
