Исследователи из Университета Брауна продемонстрировали необычный метод торможения сверхпроводимости, способности материала проводить электрический ток с нулевым сопротивлением.
Исследование показывает, что слабые магнитные поля - намного слабее тех, которые обычно прерывают сверхпроводимость - могут взаимодействовать с дефектами в материале, создавая «случайное калибровочное поле», своего рода квантовую полосу препятствий, которая создает сопротивление для сверхпроводящих электронов..
«Мы нарушаем сверхпроводимость способом, которого люди не делали раньше», - сказал Джим Валлес, профессор физики в Брауновском университете, который руководил работой. «Этот вид фазового перехода, связанный со случайным калибровочным полем, был предсказан теоретически, но это первый раз, когда он был продемонстрирован в эксперименте».
Исследование опубликовано в журнале Scientific Reports.
Сверхпроводящее состояние зависит от образования и распространения «куперовских пар», связанных электронов, которые при очень низких температурах ведут себя скорее как волны, чем как частицы. Их волнообразные свойства позволяют им перемещаться по структуре материала, не сталкиваясь по пути с атомными ядрами, сводя сопротивление, с которым они сталкиваются, к нулю. Пары Купера названы в честь Леона Купера, физика из Университета Брауна, получившего в 1972 году Нобелевскую премию по физике за объяснение их поведения.
Связи между спаренными электронами не особенно прочны. Небольшое повышение температуры или наличие магнитного поля с напряженностью выше критического значения (величина несколько различается для разных материалов) может разорвать пары, что, в свою очередь, нарушит сверхпроводящее состояние.
Но Валлес и его коллеги исследовали другой метод разрушения сверхпроводимости. Вместо того, чтобы разбивать пары Купера, команда Валлеса хотела посмотреть, смогут ли они нарушить способ распространения пар.
Когда материал является сверхпроводящим, куперовские пары распространяются «синфазно», что означает, что пики и впадины их квантовых волн коррелируют. Выбивание волн из фазы сделало бы их неспособными распространяться таким образом, чтобы поддерживать сверхпроводящее состояние, тем самым превращая материал в изолятор..
Чтобы продемонстрировать это явление, Валлес и его коллеги создали небольшие сверхпроводящие чипы из аморфного висмута. Чипы были сделаны с наноразмерными отверстиями, расположенными в виде случайно повторяющихся сот. Затем команда применила к чипам слабое магнитное поле. В нормальных условиях сверхпроводник будет отражать любое магнитное поле ниже критического значения и сразу станет сверхпроводником. Но дефекты в висмуте заставили материал особым образом отталкивать магнитное поле, образуя крошечные вихри электрического тока, окружающие каждое отверстие.
Для сверхпроводящих куперовских пар эти вихри образуют квантовую полосу препятствий, которую слишком трудно пересечь. Вихри тока толкают и притягивают волновые фронты проходящих куперовских пар случайным образом, сбивая волны в противофазе друг с другом.
«Мы нарушаем когерентное движение волновых фронтов», - сказал Валлес. «В результате куперовские пары становятся локализованными - неспособными к распространению - и система переходит из сверхпроводящей в изолирующую».
Исследование может помочь ученым понять фундаментальные свойства сверхпроводящих материалов - в частности, как дефекты в этих материалах могут прерывать сверхпроводимость в определенных ситуациях. Понимание того, как ведут себя эти материалы, будет важно, поскольку их использование в таких приложениях, как квантовые компьютеры, будет опираться на согласованные сверхпроводящие состояния.
«В технологии мы пытаемся извлечь все больше и больше из квантовых свойств материалов, но все эти материалы содержат эти грязные примеси», - сказал Валлес. «Мы продемонстрировали эффекты определенного вида квантовой случайности в сверхпроводнике, который приводится в движение магнитным полем и случайными дефектами. Так что эта работа может быть интересна для понимания того, какие ограничения существуют при использовании квантовых свойств материалов».
Вальес надеется, что результаты и техника, описанные в статье, приведут к другим фундаментальным достижениям.
«Мы можем настроить этот фазовращатель четко определенным способом, который легко смоделировать, что позволит нам немного лучше понять квантовые фазовые переходы», - сказал Валлес.«В каком-то смысле мы создали новую ручку, которую можно крутить, чтобы влиять на свойства этих материалов и смотреть, как они реагируют».