Найдена причина низкотемпературной аномалии в сверхпроводниках

Международная группа ученых, в состав которой вошел исследователь из Сколтеха, провела экспериментальное и теоретическое исследование свойств сильно неупорядоченных сверхпроводников при очень низких температурах. После серии экспериментов была предложена теория, хорошо описывающая аномалии, наблюдаемые в сверхпроводниках, объяснения которым ранее не находили. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Physics.

Явление сверхпроводимости было открыто группой голландского физика Камерлинг-Оннеса в 1911 году. Оно проявляется в полном исчезновении электрического сопротивления при понижении температуры и приводит к вытеснению магнитного поля из материала. Особый интерес для ученых представляют  сильно неупорядоченные сверхпроводники,  чьи атомы не образуют  кристаллических решеток. С практической точки зрения, сильно неупорядоченные сверхпроводники –перспективные материалы для создания  «квантовых битов» – элементов квантовых компьютеров.

При очень низких температурах в поведении сильно неупорядоченных cверхпроводниках наблюдается аномалия, которая  не находила объяснения в традиционной теории сверхпроводимости.  Она касается зависимости максимального магнитного поля, которое еще не разрушает сверхпроводимости, от температуры образца.  Это максимальное поле (его называют «верхним критическим»)   растет с понижением температуры, но в обычных сверхпроводниках  рост этот  останавливается при температурах  в несколько раз ниже чем температура перехода в сверхпроводящее состояние.  Например, для исследованных в этой работе аморфных пленок оксида индия, которые становятся сверхпроводящими примерно при 3 градусах Кельвина (т. е. -270 градусов Цельсия), ожидалось бы прекращение роста критического магнитного поля при температурах ниже 0.5 К.

А  эксперимент показывает, что рост критического поля с понижением температуры  происходит  вплоть до самых низких возможных температур (около 0.05 К в этом эксперименте) и никаких признаков его «остановки» не видно.  

Ученые из Сколтеха, Института теоретической физики имени Ландау, Института Нееля (Франция), Института Вейцмана (Израиль) и университета Утах (США)   продемонстрировали, что наблюдаемая аномалия в поведении сверхпроводников вызвана тепловыми колебаниями положений квантовых «вихрей Абрикосова».  Именно в форме таких вихрей  (трубок, каждая из которых несет магнитный поток, равный фундаментальному значению  hc/2e,  гдн h — постоянная Планка, c — скорость света, и e — заряд электрона) в неупорядоченный сверхпроводник проникает магнитное поле. 

При абсолютном нуле температуры эти вихри неподвижны, жестко прикреплены к атомной структуре материала.  Но уже самые низкие температуры приводят к «дрожанию»  вихревых трубок около своих «мест  прописки».   В результате этого, уменьшается с температурой максимальное магнитное поле, которое можно приложить к материалу, все еще сохранив его сверхпроводящие свойства.

 «Нам удалось связать между собой результаты двух  разных  типов измерений, введя понятие о тепловых флуктуациях вихрей Абрикосова»  рассказывает, научный сотрудник Сколтеха и Института теоретической физики имени Ландау, Михаил Фейгельман.

Понимание поведения неупорядоченных сверхпроводников необходимо для их  успешного применения  при создании сверхпроводящих квантовых битов — основных элементов квантовых компьютеров.   Уже несколько лет назад стало ясно, что многочисленные применения  в этой области требуют очень маленьких элементов с большой индуктивностью (электрической «инерцией»).   Именно сильно неупорядоченные сверхпроводники наиболее подходят для создания таких «сверхиндуктивных» элементов.   «Прогресс в понимании поведения таких материалов поможет в создании хорошо защищенных от внешних помех квантовых битов», говорит Фейгельман.

 

Контакты:
Skoltech Communications
+7 (495) 280 14 81

Tweet about this on Twitter0Share on Facebook0Pin on Pinterest0Share on Tumblr0Share on VK