Fyzici našli vysvětlení paradoxního chování „velmi špinavých“supravodičů při nízkých teplotách. Tyto slibné materiály lze použít k vytvoření kvantového počítače. Pochopením, proč takové látky nedodržují standardní teorii supravodivosti, budou vědci schopni vytvořit nejizolovanější qubity - základní výpočetní jednotky kvantových počítačů. Práce týmu výzkumníků za účasti zaměstnanců L. D. Landau RAS byl publikován v časopise Nature Physics.
Supravodiče jsou materiály, ve kterých za určitých podmínek elektrický odpor zcela zmizí. To znamená, že elektrický proud může protékat dráty, které jsou vyrobeny z takového materiálu, bez ztráty, zatímco u konvenčních drátů je část energie rozptylována jako teplo. Supravodivost byla objevena na začátku 20. století, ale první fenomenologická teorie, která vysvětlila mnoho jejích vlastností, byla vyvinuta v roce 1950 Levem Landauem a Vitalym Ginzburgem. O sedm let později vytvořili Američané Harry Bardeen, Leon Cooper a John Schrieffer obecnou teorii supravodivosti (tzv. Teorie BCS), která okamžitě získala Nobelovu cenu - tak zřejmý byl kolosální význam tohoto jevu.
Teorie BCS mimo jiné předpovídala, jak by se supravodiče měly chovat v magnetickém poli. Když jsou pole malá, takové látky je „vytlačí“ze sebe, zatímco zůstanou supravodivé. Tato základní vlastnost se nazývá Meissnerův efekt. Pokud budeme pokračovat ve zvětšování pole, v určitém okamžiku supravodivé vlastnosti náhle zmizí. Hodnota, při které magnetické pole potlačuje supravodivost v materiálu, se nazývá kritické magnetické pole. Závisí to na teplotě: čím chladnější, tím větší je kritické pole. To znamená, že když je supravodič při teplotě blízké kritickému, stačí i malá magnetická pole, aby se dostala ze supravodivého stavu,avšak při velmi silném chlazení (až 1/5 kritické teploty a níže) tato pravidelnost zmizí a kritické magnetické pole přestane záviset na teplotě. Nyní, za účelem odstranění materiálu ze supravodivého stavu, je nutné použít magnetické pole stejné velikosti - nezáleží na tom, zda supravodič zůstává při této teplotě nebo dokonce ochlazuje.
„Tento klasický obrázek závislosti neplatí pro„ velmi špinavé “supravodiče,“vysvětluje jeden z autorů článku Michail Feigelman z Fyzikálního ústavu pojmenovaný po L. D. Landau. - Tento termín označuje supravodiče vyrobené ze slitin kovů s vysoce poškozenou krystalovou mříží, téměř amorfní. Kritické magnetické pole roste přibližně lineárně s klesající teplotou na libovolně nízké hodnoty, kterých lze experimentálně dosáhnout. Tato skutečnost byla známa už dlouhou dobu, ale neměl jasné vysvětlení. “
V nové práci vědci pochopili, jaká je povaha atypického chování „velmi špinavých“supravodičů. Klíčovým experimentem, který to umožnil pochopit, bylo měření dalšího nejdůležitějšího parametru supravodičů - kritického proudu. Toto je maximální hodnota trvalého proudu, který může proudit v supravodiči bez ztráty energie pro rozptyl v teplo. Při vyšších proudech ztrácí látka své supravodivé vlastnosti, to znamená, že se v ní objevuje odpor a vzorek látky se zahřívá. Fyzici změřili, jak kritický proud v supravodivém filmu oxidu india závisí na magnetickém poli. Vědci prošli proudem skrz film, který byl v magnetickém poli, jehož hodnota byla o něco menší než kritická, a pozorovali, při jaké hodnotě proudu ve vzorku by se supravodivé chování zničilo.
Podobné experimenty již byly provedeny. Výjimečností této práce je to, že závislost maximálního supravodivého proudu na magnetickém poli ve „velmi špinavých“supravodičích byla měřena na magnetických polích blízkých kritickým a velmi nízkým teplotám. "Překvapivě se ukázalo, že kritický proud velmi jednoduchým způsobem závisí na tom, jak blízko je magnetické pole kritické hodnotě." Je to mocenský vztah, stupeň je 3/2, “říká Feigelman. Vědci navíc určili, jak kritické pole filmu oxidu india závisí na teplotě.
"Při pohledu na výsledky těchto dvou experimentů jsme byli schopni pochopit, jak spolu souvisí," říká Feigelman. - K stabilnímu nárůstu kritického magnetického pole při nízkých teplotách ve „velmi špinavých“supravodičích dochází v důsledku skutečnosti, že v supravodivém stavu, který je realizován v silném magnetickém poli, dochází k tepelným výkyvům tzv. Abrikosovových vírů (kvantové nadproudové víry, které se objevují v supravodičích pod účinek vnějšího magnetického pole, které tímto způsobem proniká do supravodiče). A našli jsme způsob, jak popsat tyto výkyvy. “Předpovědi teorie vytvořené autory dobře popisují získané experimentální údaje.
„Velmi špinavé“supravodiče, také nazývané vysoce narušené supravodiče, jsou aktivní oblastí výzkumu moderní fyziky. Obvykle čím více "porucha" má kov, tím horší je, že vede elektrický proud. S klesající teplotou se zvyšuje vodivost narušených kovů. „Velmi špinavé“supravodiče se chovají jinak: v normálním stavu jsou slabé dielektriky a po ochlazení vedou proud horší a horší, ale při dosažení kritické teploty se náhle přemění v supravodiče. „Supravodič a dielektrikum jsou ve svých vlastnostech opačné stavy, proto je překvapivé, že v takových látkách se mohou přeměnit na sebe,“vysvětluje Feigelman. - Ačkoli „velmi špinavé“supravodiče byly studovány 25 let, plnohodnotná teorie,což by vysvětlovalo všechny jejich zvláštnosti, stále není přítomen. ““
Propagační video:
V posledních letech se zájem o narušené supravodiče navíc zvýšil díky vzniku nových oblastí, kde jsou tyto látky velmi žádané. Například „velmi špinavé“supravodiče jsou ideální pro izolaci supravodivých kvantových bitů od všech druhů rušení - základních výpočetních jednotek kvantového počítače. Nejvhodnější je izolovat je od vnějšího světa pomocí prvků s velmi vysokou indukčností. Určuje, jak silný bude magnetický tok vytvářen elektrickým proudem proudícím v systému. Indukčnost látky je větší, čím nižší je hustota vodivých prvků v ní, a tento parametr se snižuje se zvyšující se „nečistotou“v supravodičích.