Российские физики объяснили поведение необычных сверхпроводников

Сверхпроводники позволяют передавать электрический ток на большие расстояния без потерь, однако работают лишь при очень низких температурах. Иллюстрация: Sergey Nivens/Shutterstock

Российские физики теоретически объяснили поведение сверхпроводников, которые могут быть использованы для создания квантовых компьютеров.

Работа Михаила Фейгельмана, руководителя лаборатории теоретической нанофизики Московского физико-технического института, и Льва Иоффе, научного сотрудника Института теоретической физики им. Л.Д. Ландау РАН, опубликована в журнале Physical Review B: Condensed Matter And Materials Physics, в ней рассматриваются так называемые сверхпроводники с псевдощелью.

«Щель» в квантовой теории

Термин «щель» в квантовой теории сверхпроводимости обозначает характерный зазор на диаграмме с распределением электронов по энергиям, энергетическом спектре. Выделяют сверхпроводники с «обычной» щелью и особые сверхпроводники, которые даже в своем «нормальном» состоянии демонстрируют нечто похожее на щель — ее называют псевдощелью.

Полной модели, которая бы объясняла феномен сверхпроводимости и позволяла бы, например, синтезировать работающий при комнатной температуре сверхпроводник, в настоящее время нет. В качестве наиболее удачной модели используется теория, в которой ключевую роль играют куперовские пары — связанные состояния двух электронов с противоположно направленными спинами. Такие пары отличаются, в частности, тем, что не взаимодействуют с кристаллической решеткой, поэтому свободно передвигаются по веществу и не тратят свою энергию на столкновения. Охладив металл до такой температуры, при которой тепловое движение частиц не мешает формированию куперовских пар, такие пары можно заставить перемещаться без потерь и за счет этого перевести весь образец в сверхпроводящее состояние. На данный момент самая высокая температура, при которой возможна сверхпроводимость при атмосферном давлении, составляет минус 135 градуса по Цельсию.

Особые сверхпроводники

Появление куперовских пар меняет не только электрические свойства вещества в целом, но и распределение электронов по энергиям, энергетический спектр. Формирование пар влечет появление в спектре характерного провала, который называют либо щелью, либо псевдощелью в зависимости от обстоятельств. Если вещество — сверхпроводник и сверхпроводимость после охлаждения до критической температуры возникла одновременно с появлением куперовских пар, то говорят про щель. А вот если схожая особенность на графике со спектром электронов после охлаждения появилась, но сверхпроводимости при этом еще не возникло, употребляется термин «псевдощель». Если такое вещество охладить сильнее, оно становится сверхпроводником, а щель в его спектре увеличивается — в ее величине складываются как псевдощель, так и собственно сверхпроводящая щель. Свойства такого сверхпроводника во многом отличаются от обычного.

Сверхпроводники с обычной щелью хорошо описываются существующей теорией, а теорию для описания поведения проводников с псевдощелью Михаил Фейгельман и Лев Иоффе с коллегами разработали ранее. В своей новой статье ученые при помощи своей теории рассчитали для сверхпроводников с псевдощелью зависимость плотности сверхпроводящего тока от ширины псевдощели. Изучение строения сверхпроводников с псевдощелью на микроскопическом уровне показало, что такие материалы отличаются сильной неупорядоченностью. Это значит, что их атомы не выстроены в идеальную кристаллическую решетку или структура этой решетки сильно нарушена. Примерами таких сверхпроводников с псевдощелью авторы нового исследования называют нитрид титана в виде тонкой пленки (в которой кристаллическая решетка окажется нарушена во многих местах) и оксид индия (который может быть аморфным, как стекло).

Неупорядоченность играет ключевую роль в том, что переход в сверхпроводящее состояние происходит не одновременно с формированием куперовских пар. Связанные друг с другом электроны в таких материалах появляются до того, как исчезает электрическое сопротивление именно потому, что многочисленные отклонения в микроскопической структуре вещества от идеального порядка могут мешать куперовской паре, которая в упорядоченных кристаллах движется без всяких помех. Исследователи отмечают, что на основе оксида индия уже было создано сверхпроводящее квантовое устройство, способное служить прототипом составной части квантового компьютера.
Теги:

Читать еще на Чердаке: