Малейший дефект в материале сверхпроводника способен нарушить сверхпроводимость

Москва, 16:55, 01 Дек 2016, редакция FTimes.ru, автор Сергей Кузнецов.

Исследователи из Университета Брауна продемонстрировали необычный способ создать прерывание сверхпроводимости, дающей материалу способность проводить электрический ток с нулевым сопротивлением.

Исследование показывает, что слабые магнитные поля (они гораздо слабее, чем те, которые обычно прерывают сверхпроводимость) могут взаимодействовать с дефектами в материале, создавая «случайные калибровочные поля», своего рода квантовые препятствия, создающие сопротивление для сверхпроводящих электронов.

Сверхпроводящее состояние во многом зависит от формирования и путей распространения «Куперовских пар», спаренных электронов, которые при очень низких температурах ведут себя скорее как волны, чем как частицы. Их волнообразные свойства позволяют им путешествовать по всей структуре материала, не врезаясь в ядра атомов по пути, при этом снижая сопротивление в ноль. «Куперовские пары» названы по имени Леона Купера, Нобелевского лауреата 1972 года по физике, объяснившего их поведение.

Связи между спаренными электронами не особенно сильны. Небольшое повышение температуры или наличие магнитного поля с напряженностью выше критической величины (значение изменяется для различных материалов) могут разделить пары, что в свою очередь разрушает сверхпроводящее состояние.

Но ученые расследовали другой способ разрушения сверхпроводимости. Вместо того, чтобы разорвать Куперовские пары, они попытались нарушить путь, по которому эти пары распространяются.

Когда в сверхпроводящем материале Куперовские пары распространяются «в фазе», то максимумы и минимумы их квантовых волн коррелируют. Сталкивание волн в противофазе сделало бы их неспособными размножаться и нарушить сверхпроводящее состояние, тем самым превратив материал в изолятор.

Для демонстрации явления ученые создали небольшие сверхпроводящие пластины из аморфного висмута. Пластины были сделаны с наноразмерными отверстиями, расположенными в случайном порядке. Затем к ним применили слабое магнитное поле. В нормальных условиях сверхпроводник отталкивает любое магнитное поле значением ниже критического. Но дефекты висмута, нанесенные на материал, отражали магнитное поле особым образом, образуя крошечные вихри электрического тока вокруг каждого отверстия.

Для сверхпроводящих Куперовских пар эти вихри образовали квантовые препятствия, которые очень сложно преодолеть. Возникшие вихри сбивали фронты прохождения волн Куперовских пар в случайные узоры, сталкивая волны в противофазе друг с другом.

В результате разрушения когерентного движения волновых фронтов, Куперовские пары становились локализованными, не способными размножаться, и система переходила из сверхпроводника в изолятор.

Исследование может помочь ученым понять фундаментальные свойства сверхпроводящих материалов, в частности, как дефекты в этих материалах могут прервать сверхпроводимость в определенных ситуациях. Понимание того, как эти материалы ведут себя, важно, поскольку их использование предусматривается в квантовых компьютерах, которые будут опираться на сверхпроводящее состояние.