Текст уведомления здесь

Вблизи критической температуры все пошло не так

У сверхпроводников нашли неизвестную особенность

Российско-американская группа физиков представила теоретическую статью, в которой описана ранее неизвестная особенность сверхпроводящих материалов. Результаты могут пригодиться в создании как новых сверхпроводников, так и новых устройств на основе проводящих ток без потерь веществ.
Добавить в закладки
Комментарии
Специалисты из Аргоннской национальной лаборатории (США), Института физики микроструктур и Нижегородского университета смоделировали прохождение электрического тока через тонкий слой изолятора между двумя сверхпроводниками. В рамках школьного курса физики такая система не должна проводить ток вовсе, однако законы квантовой механики допускают проникновение электрических зарядов через изолятор за счет так называемого туннельного эффекта. И, что тоже необходимо подчеркнуть, заряд переносят не отдельные электроны, а куперовские пары. Куперовские пары в сверхпроводнике и туннельный эффект — два ключевых понятия из опубликованной учеными в Scientific Reports статьи.

Про что статья?

Туннельный эффект — это прохождение некоторого квантового объекта через непреодолимое, с точки зрения классической механики или электродинамики, препятствие. Например, электрон не может «в классике» перейти с одного электрода на другой через зазор, однако квантовая механика такой переход допускает. Туннельный эффект используется в специальных микроскопах, которые так и называют — туннельными. В этих устройствах микроскопическую иглу подносят к поверхности исследуемого образца и подают на нее напряжение. Туннельный ток за счет перескакивающих с иглы на образец электронов возникает до полного замыкания цепи, и по величине этого тока можно очень точно определять расстояние до поверхности. Перемещая иглу и измеряя туннельный ток, можно восстановить профиль предмета с точностью до атомов, а еще можно захватывать отдельные атомы и переносить их с места на место.

Атомы кремния на подложке. Изображение получено при помощи сканирующего туннельного микроскопа. Источник: Guillaume Baffou / Wikimedia


Куперовские пары — это важнейшее понятие в теории сверхпроводников. Квантовая механика говорит нам, что движение частиц через кристаллическую решетку зависит от такого их свойства, как спин. Причем важна не только величина спина, но и то, принимает ли спин целое или дробное значение. У электронов спин равен 1/2, и это дробная величина. Частицы с дробным спином взаимодействуют с решеткой и друг с другом так, что при массовом их перемещении возникает заметное сопротивление: материал поглощает энергию, проводник под действием тока начинает нагреваться. Но если спин частицы целый (0, 1, 2 и так далее), то такие частицы могут проходить через вещество без потерь и сопротивления.

В сверхпроводниках два электрона связываются вместе и ведут себя как одна частица, причем с целым спином. Такую пару называют куперовской, по имени Леона Купера американского физика, впервые предложившего модель парных электронов вместе с Джоном Бардиным и Джоном Шриффером (1972 год, Нобелевская премия 2001 года). Как именно возникают такие пары, какие физические эффекты с ними связаны кроме сверхпроводимости, как сверхпроводимость в целом зависит от состава и структуры вещества — все это вопросы, которые во многом остаются без ответа.

Жидкий гелий вытекает из емкости за счет смачивания поверхности. Пленка жидкости перебирается через край, и по ней весь гелий со временем вытечет вниз. Снимок в общественном достоянии из научно-документального фильма, снятого в США в 1963.


Что обнаружили?

Перед пересказом выводов Алексея Галды, Александра Мельникова и Валерия Винокура стоит рассказать об еще одном эффекте под названием "резонанс Шапиро". Это явление в 1960-х годах было обнаружено Сиднеем Шапиро: физик выяснил, что облучение системы «два сверхпроводника и тонкий слой изолятора» микроволновым излучением приводит к резкому увеличению протекающего через образец тока.

Этот эффект, как говорится в новой работе, ранее предполагали зависимым от температуры. Считалось, что он проявляется только в сверхпроводящем состоянии, а в образце, нагретом выше критического значения, наблюдать резонанс Шапиро уже не получится.

Однако новые расчеты говорят о существовании резонанса Шапиро при температурах, немного превышающих критическую. Это предсказание, в свою очередь, может очень значительно повлиять на дальнейшее моделирование процесса перехода в сверхпроводящее состояние. Ну а понимать, как материалы становятся сверхпроводниками, важно уже не только для удовлетворения научного интереса — хорошая теория могла бы пояснить, как сделать работоспособные при высоких температурах сверхпроводящие материалы.

Устройства

О том, что даст человечеству высокотемпературная сверхпроводимость, писали многие: не нужно обладать большой фантазией, чтобы найти применение передающим ток без потерь материалам. Всевозможные линии электропередач, мощные и компактные магниты для томографов, поездов на магнитной подвеске и ускорителей частиц... Список можно продолжить, но без реальных «горячих» сверхпроводников это лишь мечты.

Гораздо интереснее будет сказать, что использованная физиками система из двух разделенных изолятором сверхпроводников — это не просто лабораторный образец, пригодный лишь для изучения процессов в самих сверхпроводящих материалах. Такие системы называют джозефсоновскими контактами, и им уже придумали множество применений.

Эталон вольта — матрица джозефсоновских контактов. Для работы потребуется охладить жидким гелием. Снимок Национального института стандартов США, NIST


В частности, из сверхпроводящего кольца с двумя джозефсоновскими контактами получается очень чувствительный датчик магнитного поля. Его чувствительность столь велика, что таким датчиком можно измерить крайне слабые магнитные поля человеческих органов и выявить патологические изменения. Метод используется врачами для диагностики. А геологи при помощи аналогичного устройства строят карты магнитного поля и ищут полезные ископаемые.

Если взять один, а не два джозефсоновских контакта, то за счет поглощения излучения можно создать детектор, способный уловить даже отдельный фотон. Этим пользуются астрономы при создании инструментов для исследования очень далеких небесных тел. Джозефсоновские контакты применяются и в измерении напряжения, и даже в создании эталона вольта: этим эталоном давно выступает не химическая батарейка, а матрица со множеством сверхпроводниковых контактов. При облучении ее микроволнами строго заданной частоты возникает напряжение, стабильность которого намного выше остальных известных науке источников.

Таким образом, новое исследование российско-американской группы — далеко не чисто теоретическое.
Добавить в закладки
Комментарии
Вам понравилась публикация?
Расскажите, что вы думаете, и мы подберем подходящие материалы