Коллектив исследователей из нескольких международных институтов, в том числе Института теоретической физики имени Л.Д. Ландау, объяснил парадоксальное поведение при низких температурах «очень грязных» сверхпроводников – перспективных материалов, которые, в числе прочего, необходимы для конструирования квантового компьютера. Понимая, как такие вещества «обходят» предсказания привычной теории сверхпроводимости, ученые смогут создавать максимально изолированные кубиты – элементарные вычислительные единицы квантовых компьютеров. Работа исследователей опубликована в журнале Nature Physics, ее препринт доступен на сайте arXiv.org.
Сверхпроводниками называют материалы, в которых, при определенных условиях, полностью пропадает сопротивление. Это означает, что электрический ток может протекать по проводам из такого материала без потерь: в обычных проводах немалая часть энергии рассеивается в тепло как раз из-за сопротивления. Сверхпроводимость открыли в начале XX века, но первую феноменологическую теорию, объяснявшую многие ее свойства, Лев Ландау и Виталий Гинзбург разработали только в 1950-м. Спустя семь лет американцы Гарри Бардин, Леон Купер и Джон Шриффер создали общую теорию сверхпроводимости (так называемая теория БКШ), которая немедленно удостоилась Нобелевской премии – настолько очевидна была колоссальная значимость явления.
В числе прочего, теория БКШ предсказывала, как должны вести себя сверхпроводники в магнитном поле. Когда поля небольшие, такие вещества «выталкивают» их из себя, оставаясь при этом сверхпроводящими – это фундаментальное свойство называется эффектом Мейснера. Но если продолжать увеличивать поле, в какой-то момент сверхпроводящие свойства резко пропадают. Значение, при котором магнитное поле «выключает» в материале сверхпроводимость, называют критическим магнитным полем, и оно зависит от температуры: чем холоднее, тем критическое поле больше. Другими словами, когда сверхпроводник нагрет до температур близких к критическому значению Tc (в зависимости от материала оно меняется от единиц до десятков градусов Кельвина), достаточно даже небольших магнитных полей, чтобы вывести его из сверхпроводящего состояния. Чтобы «убить» холодный сверхпроводник, требуются значительно бОльшие поля. Однако при очень сильном охлаждении (до 1/5 от Tc и ниже) эта закономерность исчезает, и критическое магнитное поле перестает зависеть от температуры. Теперь, чтобы вывести материал из сверхпроводящего состояния, требуется прикладывать магнитное поле одной и той же величины – неважно, останется ли сверхпроводник при этой температуре или еще охладится.
«Эта классическая картина зависимости не выполняется для «очень грязных» сверхпроводников, – объясняет заведующий сектором квантовой мезоскопии ИТФ имени Л.Д. Ландау профессор Михаил Фейгельман. – Этим термином обозначают сверхпроводники, сделанные из сплавов металлов с сильно нарушенной кристаллической решеткой, практически аморфных. Критическое магнитное поле продолжает примерно линейно увеличиваться при понижении температуры до сколь угодно низких значений, которые можно достичь в эксперименте. Этот факт был известен давно, но никакого внятного объяснения у него не было».
Низкотемпературная аномалия зависимости критического поля Bc в "очень грязных" сверхпроводниках. Подобные вещества способны существовать в состоянии "вихревого стекла", и именно температурные флуктуации этого состояния приводят к появлению такой необычной зависимости.
В новой экспериментально-теоретической работе ученые смогли понять, какова природа нетипичного поведения «очень грязных» сверхпроводников. Ключевым экспериментом, который позволил это понять, стало измерение еще одного важнейшего параметра сверхпроводников – критического тока. Это максимальное значение незатухающего тока, который может протекать в сверхпроводнике без потерь энергии на рассеяние в тепло. При бОльших токах вещество теряет сверхпроводящие свойства, то есть в нем появляется сопротивление и образец вещества начинает нагреваться. Авторы нового исследования измеряли, как критический ток в сверхпроводящей пленке из оксида индия зависит от магнитного поля. Ученые пропускали ток через пленку, находящуюся в магнитном поле, значение которого было чуть меньше критического, и наблюдали, при каком значении тока в образце разрушится сверхпроводящее поведение.
Подобные эксперименты проводились и раньше. Уникальность этой работы в том, что зависимость максимального сверхпроводящего тока от магнитного поля в «очень грязных» сверхпроводниках была измерена при магнитных полях, близких к критическим, и очень низких температурах. «И неожиданно оказалось, что критический ток очень простым образом зависит от того, насколько магнитное поле близко к критическому значению. Это степенная зависимость, степень равна 3/2», – говорит Фейгельман. Кроме того, ученые определили, как критическое поле в пленке оксида индия зависит от температуры.
«Глядя на результаты этих двух экспериментов, мы смогли понять, как они взаимосвязаны, – рассказывает Фейгельман. – Стабильное повышение критического магнитного поля при низких температурах в «очень грязных» сверхпроводниках происходит из-за того, что в сверхпроводящем состоянии, которое реализуется в сильном магнитном поле, существуют тепловые флуктуации так называемых абрикосовских вихрей (квантовые вихри сверхтока, которые появляются в сверхпроводниках под воздействием внешнего магнитного поля, которое именно таким образом проникает в сверхпроводник). И мы нашли способ, как описать эти флуктуации». Предсказания созданной авторами работы теории хорошо описывают полученные экспериментальные данные.
«Очень грязные» сверхпроводники, они же сильно неупорядоченные сверхпроводники, – одна из самых «модных» тем в сверхпроводящей физике. Обычно, чем больше «беспорядка» в металле, тем хуже он проводит электрический ток. При понижении температуры неупорядоченные металлы немного «исправляются» – в том смысле, что их проводимость улучшается. «Очень грязные» сверхпроводники ведут себя иначе. В обычном состоянии они являются слабыми диэлектриками и при охлаждении проводят ток все хуже и хуже. Но по достижении некой критической температуры они скачкообразно превращаются в сверхпроводники. «Сверхпроводник и диэлектрик – противоположные по свойствам состояния, и именно поэтому удивительно, что в таких веществах они могут переходить одно в другое, – поясняет Фейгельман. – Но хотя «очень грязные» сверхпроводники изучают уже 25 лет, полноценной теории, которая бы объясняла все их «странности», до сих пор нет».
В последние годы интерес к неупорядоченным сверхпроводникам дополнительно возрос, благодаря появлению новых областей, где такие вещества оказались очень востребованными. Например, «очень грязные» сверхпроводники идеально подходят для изоляции от всевозможных помех сверхпроводящих квантовых битов – элементарных вычислительных единиц квантового компьютера. Удобнее всего «отключить» их от внешнего мира при помощи элементов с очень высокой индуктивностью – электрической «инерцией». Она определяет, насколько силен будет магнитный поток, создаваемый протекающим в системе электрическим током. Индуктивность вещества тем больше, чем меньше в нем плотность проводящих элементов. А этот параметр уменьшается с ростом «грязи» в сверхпроводниках.
Договориться об интервью с учеными, комментариях и запросить дополнительную информацию, в том числе полный текст статьи, можно по адресу: press@itp.ac.ru