Fyzici našli vysvetlenie paradoxného správania „veľmi špinavých“supravodičov pri nízkych teplotách. Tieto sľubné materiály sa dajú použiť na vytvorenie kvantového počítača. Pochopením, prečo také látky nedodržiavajú štandardnú teóriu supravodivosti, budú vedci schopní vytvoriť najizolovanejšie qubity - elementárne počítačové jednotky kvantových počítačov. Práca tímu výskumníkov za účasti zamestnancov L. D. Landau RAS bol publikovaný v časopise Nature Physics.
Supravodiče sú materiály, v ktorých za určitých podmienok elektrický odpor úplne zmizne. To znamená, že elektrický prúd môže pretekať drôtmi, ktoré sú vyrobené z tohto materiálu, bez straty, zatiaľ čo v bežných drôtoch sa časť energie rozptyľuje ako teplo. Supravodivosť bola objavená na začiatku 20. storočia, ale prvú fenomenologickú teóriu, ktorá vysvetlila mnohé jej vlastnosti, vyvinuli v roku 1950 Lev Landau a Vitaly Ginzburg. O sedem rokov neskôr vytvorili Američania Harry Bardeen, Leon Cooper a John Schrieffer všeobecnú teóriu supravodivosti (tzv. Teória BCS), ktorá okamžite získala Nobelovu cenu - tak zrejmý bol kolosálny význam tohto fenoménu.
Teória BCS okrem iného predpovedala, ako by sa mali supravodiče správať v magnetickom poli. Ak sú polia malé, takéto látky ich „vytlačia“zo seba, pričom zostanú supravodivé. Táto základná vlastnosť sa nazýva Meissnerov efekt. Ak budeme pokračovať v rozširovaní poľa, v určitom okamihu supravodivé vlastnosti náhle zmiznú. Hodnota, pri ktorej magnetické pole potlačuje supravodivosť v materiáli, sa nazýva kritické magnetické pole. Závisí to od teploty: čím je chladnejšie, tým väčšie je kritické pole. To znamená, že keď je supravodič pri teplote blízkej kritickému, postačujú aj malé magnetické polia na to, aby sa dostali zo supravodivého stavu,avšak pri veľmi silnom chladení (až do 1/5 kritickej teploty a nižšej) táto pravidelnosť zmizne a kritické magnetické pole prestáva závisieť od teploty. Teraz, aby sa materiál odstránil zo supravodivého stavu, je potrebné použiť magnetické pole rovnakej veľkosti - nezáleží na tom, či supravodič zostáva pri tejto teplote alebo dokonca ochladzuje.
„Tento klasický obraz závislosti neplatí pre„ veľmi špinavé “supravodiče,“vysvetľuje jeden z autorov článku Michail Feigelman z Fyzikálneho ústavu pomenovaný po L. D. Landau. - Tento výraz označuje supravodiče vyrobené z kovových zliatin s vysoko poškodenou kryštálovou mriežkou, takmer amorfnou. Kritické magnetické pole sa zvyšuje približne lineárne s klesajúcou teplotou na ľubovoľne nízke hodnoty, ktoré sa dajú experimentálne dosiahnuť. Táto skutočnosť bola známa už dlho, ale nemal jasné vysvetlenie. ““
V novej práci vedci pochopili, aká je povaha atypického správania „veľmi špinavých“supravodičov. Kľúčovým experimentom, ktorý umožnil porozumieť tomu bolo meranie ďalšieho najdôležitejšieho parametra supravodičov - kritického prúdu. Toto je maximálna hodnota trvalého prúdu, ktorý môže prúdiť v supravodiči bez straty energie na rozptyl do tepla. Pri vyšších prúdoch látka stráca svoje supravodivé vlastnosti, to znamená, že sa v nej objavuje odpor a vzorka látky sa začína zahrievať. Fyzici merali, ako kritický prúd v supravodivom filme z oxidu india závisí od magnetického poľa. Vedci prešli prúdom cez film, ktorý bol v magnetickom poli, ktorého hodnota bola o niečo menšia ako kritická hodnota, a pozorovali, pri akej hodnote prúdu vo vzorke by sa supravodivé správanie zničilo.
Podobné experimenty sa už uskutočnili. Výnimočnosť tejto práce spočíva v tom, že závislosť maximálneho supravodivého prúdu na magnetickom poli vo „veľmi znečistených“supravodičoch sa merala pri magnetických poliach blízkych kritickým a veľmi nízkym teplotám. „Prekvapivo sa ukázalo, že kritický prúd veľmi jednoduchým spôsobom závisí od toho, ako blízko je magnetické pole kritickej hodnote. Je to vzťah založený na mocenstve, stupeň je 3/2, “hovorí Feigelman. Vedci okrem toho určili, ako kritické pole filmu oxidu india závisí od teploty.
„Pri pohľade na výsledky týchto dvoch experimentov sme boli schopní pochopiť, ako súvisia,“hovorí Feigelman. - Stabilné zvyšovanie kritického magnetického poľa pri nízkych teplotách v „veľmi špinavých“supravodičoch nastáva v dôsledku skutočnosti, že v supravodivom stave, ktorý je realizovaný v silnom magnetickom poli, dochádza k tepelným výkyvom tzv. účinok vonkajšieho magnetického poľa, ktoré týmto spôsobom preniká do supravodiča). A našli sme spôsob, ako tieto výkyvy opísať. ““Predpovede teórie vytvorené autormi dobre opisujú získané experimentálne údaje.
„Veľmi znečistené“supravodiče, tiež nazývané supravodiče s veľmi narušenou funkciou, sú aktívnou oblasťou výskumu modernej fyziky. Čím viac kov má „poruchu“, tým horšie je, že vedie elektrický prúd. S klesajúcou teplotou sa zvyšuje vodivosť narušených kovov. „Veľmi znečistené“supravodiče sa správajú inak: v normálnom stave sú slabé dielektriky a po ochladení vedú horší a horší prúd, ale po dosiahnutí kritickej teploty sa náhle transformujú na supravodiče. „Supravodič a dielektrikum sú svojimi vlastnosťami opačné stavy, preto je prekvapujúce, že v týchto látkach sa môžu transformovať na seba,“vysvetľuje Feigelman. - Hoci „veľmi špinavé“supravodiče boli študované už 25 rokov, plnohodnotná teória,čo by vysvetľovalo všetky ich zvláštnosti, stále neexistuje. ““
Propagačné video:
V posledných rokoch sa záujem o narušené supravodiče navyše zvýšil v dôsledku objavenia sa nových oblastí, v ktorých sú tieto látky veľmi žiadané. Napríklad „veľmi znečistené“supravodiče sú ideálne na izoláciu supravodivých kvantových bitov od všetkých druhov rušenia - základných výpočtových jednotiek kvantového počítača. Najvýhodnejšie je izolovať ich od vonkajšieho sveta pomocou prvkov s veľmi vysokou indukčnosťou. Určuje, ako silný bude magnetický tok vytváraný elektrickým prúdom prúdiacim do systému. Indukčnosť látky je väčšia, čím nižšia je hustota vodivých prvkov v nej, a tento parameter klesá s rastom „nečistôt“v supravodičoch.