Fysikere har fundet en forklaring på den paradoksale opførsel af "meget beskidte" superledere ved lave temperaturer. Disse lovende materialer kan bruges til at oprette en kvantecomputer. Ved at forstå, hvorfor sådanne stoffer ikke overholder standardteorien om superledningsevne, vil videnskabsmænd være i stand til at skabe de mest isolerede qubits - de elementære computerenheder på kvantecomputere. Arbejdet i et team af forskere med deltagelse af medarbejdere i L. D. Landau RAS blev offentliggjort i tidsskriftet Nature Physics.
Superledere er materialer, hvor elektrisk modstand under visse betingelser forsvinder fuldstændigt. Dette betyder, at elektrisk strøm kan strømme gennem ledninger, der er lavet af dette materiale uden tab, mens nogle af energien i konventionelle ledninger spredes som varme. Superledelse blev opdaget i begyndelsen af det 20. århundrede, men den første fænomenologiske teori, der forklarede mange af dens egenskaber, blev udviklet i 1950 af Lev Landau og Vitaly Ginzburg. Syv år senere skabte amerikanerne Harry Bardeen, Leon Cooper og John Schrieffer en generel teori om superledelse (den såkaldte BCS-teori), som straks vandt Nobelprisen - så åbenlyst var den kolossale betydning af fænomenet.
BCS-teorien forudsagde blandt andet, hvordan superledere skulle opføre sig i et magnetfelt. Når markerne er små, skubber sådanne stoffer dem ud af sig selv, mens de forbliver superledende. Denne grundlæggende egenskab kaldes Meissner-effekten. Hvis vi fortsætter med at øge feltet, forsvinder på et tidspunkt de superledende egenskaber pludselig. Den værdi, hvormed magnetfeltet undertrykker superledningsevnen i materialet kaldes det kritiske magnetfelt. Det afhænger af temperaturen: jo koldere, jo større er det kritiske felt. Det vil sige, at når en superleder er ved en temperatur tæt på den kritiske, er selv små magnetiske felter tilstrækkelige til at bringe den ud af superledende tilstand,dog med meget stærk afkøling (op til 1/5 af den kritiske temperatur og derunder) forsvinder denne regelmæssighed, og det kritiske magnetfelt ophører med at afhænge af temperaturen. For at fjerne et materiale fra en superledende tilstand er det nødvendigt at anvende et magnetfelt af samme størrelse - det betyder ikke noget, om superlederen forbliver ved denne temperatur eller endda køler ned.
”Dette klassiske afhængighedsbillede gælder ikke for” meget beskidte”superledere,” forklarer en af forfatterne af artiklen, Mikhail Feigelman fra Institut for fysik opkaldt efter L. D. Landau. - Dette udtryk betegner superledere lavet af metallegeringer med en stærkt beskadiget krystalgitter, næsten amorf. Det kritiske magnetfelt fortsætter med at stige omtrent lineært med faldende temperatur til vilkårligt lave værdier, der kan opnås eksperimentelt. Denne kendsgerning var kendt i lang tid, men han havde ingen klar forklaring."
I det nye arbejde kunne videnskabsmænd forstå, hvad der er karakteren af den atypiske opførsel af "meget beskidte" superledere. Det centrale eksperiment, der gjorde det muligt at forstå dette var måling af en anden vigtigste parameter for superledere - den kritiske strøm. Dette er den maksimale værdi af vedvarende strøm, der kan strømme i en superleder uden energitab for spredning i varme. Ved højere strømme mister stoffet sine superledende egenskaber, det vil sige, at der vises resistens i det, og prøven af stoffet begynder at varme op. Fysikere har målt, hvordan den kritiske strøm i en superledende indiumoxidfilm afhænger af magnetfeltet. Forskerne førte en strøm gennem en film i et magnetfelt, hvis værdi var lidt mindre end den kritiske, og observerede til hvilken værdi af strømmen i prøven den superledende opførsel ville blive ødelagt.
Lignende eksperimenter er blevet udført før. Det unikke ved dette arbejde er, at afhængigheden af den maksimale superledende strøm på magnetfeltet i "meget beskidte" superledere blev målt ved magnetiske felter tæt på kritiske og meget lave temperaturer.”Overraskende viste det sig, at den kritiske strøm på en meget enkel måde afhænger af, hvor tæt magnetfeltet er på den kritiske værdi. Det er et magtretligt forhold, graden er 3/2,”siger Feigelman. Derudover har forskere bestemt, hvordan det kritiske felt i en indiumoxidfilm afhænger af temperaturen.
”Ved at se på resultaterne af disse to eksperimenter var vi i stand til at forstå, hvordan de hænger sammen,” siger Feigelman. - En stabil stigning i det kritiske magnetfelt ved lave temperaturer i "meget beskidte" superledere forekommer på grund af det faktum, at der i superledende tilstand, der realiseres i et stærkt magnetfelt, er termiske udsving i de såkaldte Abrikosov-hvirvler (kvante supercurrent virvler, der vises i superledere under superledere under virkningen af et eksternt magnetfelt, der trænger igennem superlederen på denne måde). Og vi fandt en måde at beskrive disse udsving på. " Forudsigelserne af teorien skabt af forfatterne beskriver godt de opnåede eksperimentelle data.
"Meget beskidte" superledere, også kaldet stærkt forstyrrede superledere, er et aktivt forskningsområde inden for moderne fysik. Normalt, jo mere "forstyrrelse" et metal har, jo værre leder det en elektrisk strøm. Med faldende temperatur stiger ledningsevnen for forstyrrede metaller. "Meget beskidte" superledere opfører sig forskelligt: i normal tilstand er de svage dielektrik, og når de afkøles, ledes strøm værre og værre, men når de når en kritisk temperatur, forvandles de pludselig til superledere.”En superleder og et dielektrikum er modsatte tilstande med hensyn til deres egenskaber, hvorfor det er overraskende, at de i sådanne stoffer kan omdannes til hinanden,” forklarer Feigelman. - Selvom "meget beskidte" superledere er blevet undersøgt i 25 år, er en fuldgyldig teori,som ville forklare alle deres mænd, er stadig ikke til stede."
Salgsfremmende video:
I de senere år er interessen for forstyrrede superledere yderligere steget på grund af fremkomsten af nye områder, hvor sådanne stoffer er meget efterspurgte. For eksempel er "meget beskidte" superledere ideelle til at isolere superledende kvantebits fra alle former for interferens - de elementære computerenheder på en kvantecomputer. Det er mest praktisk at isolere dem fra omverdenen ved hjælp af elementer med meget høj induktans. Det bestemmer, hvor stærk magnetfluxen vil blive skabt af den elektriske strøm, der flyder i systemet. Stoffets induktans er større, jo lavere er tætheden af ledende elementer i det, og denne parameter falder med væksten af "snavs" i superledere.
