Natuurkundigen hebben een verklaring gevonden voor het paradoxale gedrag van "erg vuile" supergeleiders bij lage temperaturen. Deze veelbelovende materialen kunnen worden gebruikt om een kwantumcomputer te maken. Door te begrijpen waarom dergelijke stoffen niet voldoen aan de standaardtheorie van supergeleiding, kunnen wetenschappers de meest geïsoleerde qubits maken - de elementaire rekeneenheden van kwantumcomputers. Het werk van een team van onderzoekers met deelname van medewerkers van de L. D. Landau RAS is gepubliceerd in het tijdschrift Nature Physics.
Supergeleiders zijn materialen waarin onder bepaalde omstandigheden elektrische weerstand volledig verdwijnt. Dit betekent dat elektrische stroom zonder verlies door draden die van een dergelijk materiaal zijn gemaakt, kan stromen, terwijl bij conventionele draden een deel van de energie wordt afgevoerd als warmte. Supergeleiding werd ontdekt aan het begin van de 20e eeuw, maar de eerste fenomenologische theorie die veel van zijn eigenschappen verklaarde, werd in 1950 ontwikkeld door Lev Landau en Vitaly Ginzburg. Zeven jaar later creëerden de Amerikanen Harry Bardeen, Leon Cooper en John Schrieffer een algemene theorie van supergeleiding (de zogenaamde BCS-theorie), die onmiddellijk de Nobelprijs won - zo duidelijk was de kolossale betekenis van het fenomeen.
De BCS-theorie voorspelde onder meer hoe supergeleiders zich zouden moeten gedragen in een magnetisch veld. Als de velden klein zijn, "duwen" dergelijke stoffen ze uit zichzelf, terwijl ze supergeleidend blijven. Deze fundamentele eigenschap wordt het Meissner-effect genoemd. Als we doorgaan met het vergroten van het veld, verdwijnen op een gegeven moment de supergeleidende eigenschappen abrupt. De waarde waarbij het magnetische veld supergeleiding in het materiaal onderdrukt, wordt het kritische magnetische veld genoemd. Het hangt af van de temperatuur: hoe kouder, hoe groter het kritische veld. Dat wil zeggen, wanneer een supergeleider een temperatuur heeft die dichtbij de kritische is, zijn zelfs kleine magnetische velden voldoende om hem uit de supergeleidende toestand te halen,bij zeer sterke afkoeling (tot 1/5 van de kritische temperatuur en lager) verdwijnt deze regelmaat en houdt het kritische magnetische veld op temperatuurafhankelijk te zijn. Nu, om een materiaal uit een supergeleidende toestand te verwijderen, is het nodig om een magnetisch veld van dezelfde grootte aan te leggen - het maakt niet uit of de supergeleider op deze temperatuur blijft of zelfs afkoelt.
"Dit klassieke beeld van afhankelijkheid geldt niet voor" erg vuile "supergeleiders", legt een van de auteurs van het artikel uit, Mikhail Feigelman van het Institute of Physics, genoemd naar L. D. Landauer. - Deze term verwijst naar supergeleiders gemaakt van metaallegeringen met een sterk beschadigd kristalrooster, bijna amorf. Het kritische magnetische veld blijft ongeveer lineair toenemen met afnemende temperatuur tot willekeurig lage waarden die experimenteel kunnen worden bereikt. Dit feit was al lang bekend, maar hij had geen duidelijke verklaring."
In het nieuwe werk waren wetenschappers in staat om te begrijpen wat de aard is van het atypische gedrag van "erg vuile" supergeleiders. Het belangrijkste experiment dat dit mogelijk maakte, was de meting van een andere zeer belangrijke parameter van supergeleiders: de kritische stroom. Dit is de maximale waarde van aanhoudende stroom die in een supergeleider kan stromen zonder energieverlies voor dissipatie in warmte. Bij hogere stromen verliest de stof zijn supergeleidende eigenschappen, dat wil zeggen dat er weerstand in verschijnt en het monster van de stof begint op te warmen. Natuurkundigen hebben gemeten hoe de kritische stroom in een supergeleidende indiumoxidefilm afhangt van het magnetische veld. De wetenschappers lieten een stroom door de film lopen, die zich in een magnetisch veld bevond, waarvan de waarde iets minder was dan de kritische waarde, en keken bij welke waarde van de stroom in het monster het supergeleidende gedrag zou worden vernietigd.
Soortgelijke experimenten zijn al eerder uitgevoerd. Het unieke van dit werk is dat de afhankelijkheid van de maximale supergeleidende stroom van het magnetische veld in "zeer vuile" supergeleiders werd gemeten bij magnetische velden dichtbij kritische en zeer lage temperaturen. “Verrassend genoeg bleek dat de kritische stroom op een heel eenvoudige manier afhangt van hoe dicht het magnetische veld bij de kritische waarde is. Het is een macht-wet relatie, de graad is 3/2”, zegt Feigelman. Bovendien hebben wetenschappers bepaald hoe het kritische veld in een indiumoxidefilm afhangt van de temperatuur.
“Door naar de resultaten van deze twee experimenten te kijken, konden we begrijpen hoe ze met elkaar verband houden”, zegt Feigelman. - Een stabiele toename van het kritische magnetische veld bij lage temperaturen in 'zeer vuile' supergeleiders treedt op vanwege het feit dat in de supergeleidende toestand, die wordt gerealiseerd in een sterk magnetisch veld, er thermische fluctuaties zijn van de zogenaamde Abrikosov-wervelingen (kwantum-superstroomwervelingen die verschijnen in supergeleiders onder het effect van een extern magnetisch veld, dat op deze manier de supergeleider binnendringt). En we hebben een manier gevonden om deze fluctuaties te beschrijven. De voorspellingen van de theorie die door de auteurs zijn gemaakt, beschrijven de verkregen experimentele gegevens goed.
"Zeer vuile" supergeleiders, ook wel zeer ongeordende supergeleiders genoemd, zijn een actief onderzoeksgebied in de moderne fysica. Gewoonlijk geldt dat hoe meer "wanorde" een metaal heeft, hoe slechter het een elektrische stroom geleidt. Met afnemende temperatuur neemt de geleidbaarheid van ongeordende metalen toe. "Zeer vuile" supergeleiders gedragen zich anders: in de normale toestand zijn ze zwakke diëlektrica en geleiden ze bij afkoeling steeds slechter stroom, maar bij het bereiken van een kritische temperatuur veranderen ze plotseling in supergeleiders. "Een supergeleider en een diëlektricum zijn tegengestelde toestanden in hun eigenschappen, en daarom is het verrassend dat ze in dergelijke stoffen in elkaar kunnen transformeren", legt Feigelman uit. - Hoewel ‘zeer vuile’ supergeleiders al 25 jaar bestudeerd worden, is een volwaardige theorie,wat al hun eigenaardigheden zou verklaren, is nog steeds niet aanwezig."
Promotie video:
In de afgelopen jaren is de belangstelling voor ongeordende supergeleiders bovendien toegenomen als gevolg van de opkomst van nieuwe gebieden waar gebleken is dat er veel vraag is naar dergelijke stoffen. Zo zijn 'erg vuile' supergeleiders ideaal om supergeleidende kwantumbits - de elementaire rekeneenheden van een kwantumcomputer - te isoleren van allerlei soorten interferentie. Het is het gemakkelijkst om ze van de buitenwereld te isoleren met behulp van elementen met een zeer hoge inductantie. Het bepaalt hoe sterk de magnetische flux zal worden gecreëerd door de elektrische stroom die in het systeem stroomt. De inductantie van een stof is hoe groter, hoe lager de dichtheid van de geleidende elementen erin, en deze parameter neemt af met de groei van "vuil" in supergeleiders.
