Fizicienii au găsit o explicație pentru comportamentul paradoxal al supraconductorilor „foarte murdari” la temperaturi scăzute. Aceste materiale promițătoare pot fi utilizate pentru a crea un computer cuantic. Înțelegând de ce astfel de substanțe nu se supun teoriei standard a superconductivității, oamenii de știință vor fi capabili să creeze cele mai izolate chebituri - unitățile elementare de calcul ale calculatoarelor cuantice. Munca unei echipe de cercetători cu participarea angajaților din L. D. Landau RAS a fost publicat în revista Nature Physics.
Superconductorii sunt materiale în care, în anumite condiții, rezistența electrică dispare complet. Acest lucru înseamnă că curentul electric poate curge prin fire care sunt fabricate din acest material fără pierderi, în timp ce în firele convenționale o parte din energie este disipată sub formă de căldură. Superconductivitatea a fost descoperită la începutul secolului XX, dar prima teorie fenomenologică care a explicat multe dintre proprietățile sale a fost dezvoltată în 1950 de Lev Landau și Vitaly Ginzburg. Șapte ani mai târziu, americanii Harry Bardeen, Leon Cooper și John Schrieffer au creat o teorie generală a superconductivității (așa-numita teorie BCS), care a câștigat imediat Premiul Nobel - semnificația enormă a fenomenului a fost atât de evidentă.
Printre altele, teoria BCS a prezis modul în care supraconductorii ar trebui să se comporte într-un câmp magnetic. Când câmpurile sunt mici, astfel de substanțe „le împing” de la sine, rămânând supraconductoare. Această proprietate fundamentală se numește efectul Meissner. Dacă continuăm să creștem câmpul, la un moment dat proprietățile supraconductoare dispar brusc. Valoarea la care câmpul magnetic suprima supraconductivitatea în material se numește câmp magnetic critic. Depinde de temperatură: cu cât este mai rece, cu atât câmpul critic este mai mare. Adică, atunci când un superconductor se află la o temperatură apropiată de cea critică, chiar și câmpuri magnetice mici sunt suficiente pentru a-l scoate din starea de supraconductor,cu toate acestea, cu o răcire foarte puternică (până la 1/5 din temperatura critică și mai jos), această regularitate dispare, iar câmpul magnetic critic încetează să depindă de temperatură. Acum, pentru a elimina un material dintr-o stare superconductoare, este necesar să se aplice un câmp magnetic de aceeași mărime - nu contează dacă superconductorul rămâne la această temperatură sau chiar se răcește.
„Această imagine clasică a dependenței nu este valabilă pentru supraconductori„ foarte murdari”, explică unul dintre autorii articolului, Mikhail Feigelman de la Institutul de Fizică numit după L. D. Landou. - Acest termen denumește supraconductorii din aliaje metalice cu o rețea de cristal foarte deteriorată, aproape amorfă. Câmpul magnetic critic continuă să crească aproximativ liniar cu scăderea temperaturii până la valori arbitrar scăzute care pot fi obținute experimental. Acest fapt a fost cunoscut de multă vreme, dar nu a avut o explicație clară.
În noua lucrare, oamenii de știință au reușit să înțeleagă natura comportamentului atipic al supraconductorilor „foarte murdari”. Experimentul cheie care a făcut posibilă înțelegerea acestui lucru a fost măsurarea unui alt parametru cel mai important al supraconductorilor - curentul critic. Aceasta este valoarea maximă a curentului susținut care poate curge într-un supraconductor fără pierderi de energie pentru disiparea în căldură. La curenți mai mari, substanța își pierde proprietățile superconductoare, adică rezistența apare în ea și proba substanței începe să se încălzească. Fizicienii au măsurat modul în care curentul critic dintr-o peliculă de oxid de indiu supraconductor depinde de câmpul magnetic. Oamenii de știință au trecut un curent prin film, care se afla într-un câmp magnetic, a cărui valoare era puțin mai mică decât valoarea critică și au observat la ce valoare a curentului din eșantion comportamentul supraconductor va fi distrus.
Experimente similare au fost efectuate înainte. Unicitatea acestei lucrări constă în faptul că dependența curentului maxim supraconductor de câmpul magnetic în superconductorii „foarte murdari” a fost măsurată pe câmpuri magnetice aproape de temperaturi critice și foarte scăzute. „În mod surprinzător, s-a dovedit că curentul critic într-un mod foarte simplu depinde de cât de aproape de câmpul magnetic este de valoarea critică. Este o relație putere-lege, gradul este de 3/2, spune Feigelman. În plus, oamenii de știință au stabilit modul în care câmpul critic dintr-un film cu oxid de indiu depinde de temperatură.
„Analizând rezultatele acestor două experimente, am putut înțelege cum se leagă”, spune Feigelman. - O creștere stabilă a câmpului magnetic critic la temperaturi scăzute la superconductorii „foarte murdari” se datorează faptului că, în starea de supraconductor, care se realizează într-un câmp magnetic puternic, există fluctuații termice ale așa-numitelor vortice Abrikosov (vorticurile cu supraconductor cuantic care apar în superconductori sub efectul unui câmp magnetic extern, care pătrunde în acest fel superconductorul). Și am găsit o modalitate de a descrie aceste fluctuații . Predicțiile teoriei create de autori descriu bine datele experimentale obținute.
Superconductorii „foarte murdari”, numiți și supraconductori extrem de dezordinați, sunt o zonă activă de cercetare în fizica modernă. De obicei, cu cât este mai mult „tulburarea” unui metal, cu atât este mai grav un curent electric. Odată cu scăderea temperaturii, conductivitatea metalelor dezordonate crește. Superconductorii „foarte murdari” se comportă diferit: în stare normală, sunt dielectrici slabe și, atunci când sunt răcite, conduc curentul din ce în ce mai rău, dar, la atingerea unei temperaturi critice, se transformă brusc în superconductori. „Un superconductor și un dielectric sunt stări opuse în ceea ce privește proprietățile lor, motiv pentru care este surprinzător că în astfel de substanțe se pot transforma unul în altul”, explică Feigelman. - Deși superconductorii „foarte murdari” au fost studiați timp de 25 de ani, o teorie deplină,ceea ce le-ar explica toate ciudățenii, nu este încă prezent”.
Video promotional:
În ultimii ani, interesul pentru supraconductorii dezordinați a crescut suplimentar din cauza apariției de noi zone în care astfel de substanțe au o mare cerere. De exemplu, supraconductorii „foarte murdari” sunt ideali pentru izolarea biților cuantici supraconductori de toate tipurile de interferențe - unitățile elementare de calcul ale unui computer cuantic. Cel mai convenabil este să le izolați de lumea exterioară folosind elemente cu inductanță foarte mare. Determină cât de puternic va fi creat fluxul magnetic de curentul electric care curge în sistem. Inductanța unei substanțe este mai mare, cu atât densitatea elementelor conductoare este mai mică, iar acest parametru scade odată cu creșterea „murdăriei” în supraconductori.
