Fyysikot ovat löytäneet selityksen "erittäin likaisten" suprajohteiden paradoksaaliselle käytölle alhaisissa lämpötiloissa. Näitä lupaavia materiaaleja voidaan käyttää kvantitietokoneen luomiseen. Ymmärtämällä, miksi tällaiset aineet eivät noudata tavanomaista suprajohtavuuden teoriaa, tutkijat pystyvät luomaan eristyneimmät kvbitit - kvantitietokoneiden peruslaskentayksiköt. Tutkimusryhmän työ, johon osallistuvat L. D. Landau RAS julkaistiin Nature Physics -lehdessä.
Suprajohteet ovat materiaaleja, joissa tietyissä olosuhteissa sähkövastus katoaa kokonaan. Tämä tarkoittaa, että sähkövirta voi kulkea tästä materiaalista valmistettujen johtimien läpi häviämättä, kun taas tavanomaisissa johdoissa osa energiasta kuluu lämmönä. Suprajohtavuus löydettiin 1900-luvun alussa, mutta ensimmäisen fenomenologisen teorian, joka selitti monia sen ominaisuuksista, kehittivät vuonna 1950 Lev Landau ja Vitaly Ginzburg. Seitsemän vuotta myöhemmin amerikkalaiset Harry Bardeen, Leon Cooper ja John Schrieffer loivat yleisen suprajohtavuuden teorian (ns. BCS-teoria), joka voitti heti Nobel-palkinnon - ilmiön valtava merkitys oli niin ilmeinen.
BCS-teoria ennusti muun muassa, kuinka suprajohtimien tulisi toimia magneettikentässä. Kun kentät ovat pieniä, tällaiset aineet "työntävät" ne pois itsestään, pysyen samalla suprajohtavina. Tätä perusominaisuutta kutsutaan Meissner-ilmiöksi. Jos jatkamme kentän kasvattamista, jossain vaiheessa suprajohtavat ominaisuudet katoavat yhtäkkiä. Arvoa, jolla magneettikenttä vaimentaa materiaalin suprajohtavuutta, kutsutaan kriittiseksi magneettikentäksi. Se riippuu lämpötilasta: mitä kylmempi, sitä suurempi kriittinen kenttä on. Toisin sanoen, kun suprajohdin on lähellä kriittistä lämpötilaa, jopa pienet magneettikentät ovat riittäviä sen johtamiseksi ulos suprajohtavasta tilasta,erittäin voimakkaalla jäähdytyksellä (jopa 1/5 kriittisestä lämpötilasta ja sen alapuolella) tämä säännöllisyys häviää ja kriittinen magneettikenttä ei enää ole riippuvainen lämpötilasta. Nyt materiaalin poistamiseksi suprajohtavasta tilasta on tarpeen kohdistaa samansuuruinen magneettikenttä - sillä ei ole väliä, pysyykö suprajohdin tässä lämpötilassa vai jäähtyykö se.
"Tämä klassinen riippuvuuskuva ei pidä" erittäin likaisia "suprajohteita", selittää artikkelin yksi kirjoittajat, Mihail Feigelman, L. D. nimeltä fysiikan instituutista. Landau. - Tämä termi tarkoittaa metalliseoksista valmistettuja suprajohteita, joilla on erittäin vaurioitunut kidehila, melkein amorfinen. Kriittinen magneettikenttä kasvaa edelleen suunnilleen lineaarisesti lämpötilan laskiessa mielivaltaisen alhaisiin arvoihin, jotka voidaan saavuttaa kokeellisesti. Tämä tosiasia oli tiedossa jo kauan, mutta hänellä ei ollut selkeää selitystä."
Uudessa teoksessa tutkijat pystyivät ymmärtämään, mikä on "erittäin likaisten" suprajohteiden epätyypillisen käyttäytymisen luonne. Keskeinen kokeilu, joka mahdollisti tämän ymmärtämisen, oli suprajohtimien toisen tärkeimmän parametrin - kriittisen virran - mittaus. Tämä on jatkuvan virran maksimiarvo, joka voi virtata suprajohteessa ilman energiahäviötä lämmön häviämiseksi. Suuremmissa virtauksissa aine menettää suprajohtavat ominaisuutensa, ts. Siinä ilmenee vastus ja aineen näyte alkaa kuumentua. Fyysikot ovat mitanneet kuinka kriittinen virta suprajohtavassa indiumoksidikalvossa riippuu magneettikentästä. Tutkijat välittivät magneettikentässä olevan kalvon läpi virran, jonka arvo oli hiukan pienempi kuin kriittinen arvo, ja havaitsivat, millä näytteen virran arvolla suprajohtava käyttäytyminen tuhoutuisi.
Samanlaisia kokeita on tehty aiemmin. Tämän työn ainutlaatuisuus on, että "erittäin likaisten" suprajohtimien suurimman suprajohtavan virran riippuvuus magneettikentästä mitattiin magneettikentissä lähellä kriittisiä ja erittäin matalia lämpötiloja.”Yllättäen kävi ilmi, että kriittinen virta hyvin yksinkertaisella tavalla riippuu siitä, kuinka lähellä magneettikenttä on kriittiseen arvoon. Se on valta-lakisuhde, tutkinto on 3/2”, Feigelman sanoo. Lisäksi tutkijat ovat määritelleet, kuinka indiumoksidikalvon kriittinen kenttä riippuu lämpötilasta.
"Tarkastelemalla näiden kahden kokeilun tuloksia pystyimme ymmärtämään kuinka ne liittyvät toisiinsa", Feigelman sanoo. - Kriittisen magneettikentän vakaa nousu alhaisissa lämpötiloissa "erittäin likaisissa" suprajohteissa johtuu siitä, että voimakkaassa magneettikentässä toteutettavassa suprajohtavassa tilassa on niin kutsuttujen Abrikosov-pyörteiden (kvantti-supervirta-pyörteiden, jotka ilmenevät suprajohtimissa alla) lämpövaihteluita tällä tavalla suprajohtimeen tunkeutuvan ulkoisen magneettikentän vaikutus). Ja löysimme tavan kuvata nämä vaihtelut. " Tekijöiden luomat teorian ennusteet kuvaavat hyvin saadut kokeelliset tiedot.
"Erittäin likaiset" suprajohteet, joita kutsutaan myös erittäin epäjärjestykseiksi suprajohteiksi, ovat aktiivinen tutkimusalue nykyajan fysiikassa. Yleensä, mitä enemmän "häiriö" metallilla on, sitä huonommin se johtaa sähkövirtaa. Lämpötilan laskiessa epäjärjestyneiden metallien johtavuus kasvaa. "Erittäin likaiset" suprajohteet käyttäytyvät eri tavalla: normaaleissa olosuhteissa ne ovat heikkoja dielektrikoja ja jäähdytettynä johtavat huonompaan virtaan, mutta saavuttaessaan kriittisen lämpötilan muuttuvat yhtäkkiä suprajohteiksi. "Suprajohdin ja dielektrisyys ovat ominaisuuksiensa suhteen vastakkaisia tiloja, minkä vuoksi on yllättävää, että tällaisissa aineissa ne voivat muuttua toisiksi", Feigelman selittää. - Vaikka "erittäin likaisia" suprajohteita on tutkittu 25 vuoden ajan, se on täysimittainen teoria,joka selittäisi heidän kaikki omituisuutensa, ei vieläkään ole läsnä."
Mainosvideo:
Viime vuosina kiinnostus epäjärjestyneisiin suprajohteisiin on lisäksi lisääntynyt uusien alueiden esiintymisen vuoksi, joilla tällaisilla aineilla on suuri kysyntä. Esimerkiksi "erittäin likaiset" suprajohteet ovat ihanteellisia eristämään suprajohtavat kvanttibitit kaikenlaisista häiriöistä - kvantitietokoneen peruslaskentayksiköistä. Kätevin on eristää ne ulkomaailmasta käyttämällä elementtejä, joilla on erittäin korkea induktanssi. Se määrittelee, kuinka voimakasta magneettivuo syntyy järjestelmään virtaavan sähkövirran avulla. Aineen induktanssi on sitä suurempi, mitä pienempi on johtavien elementtien tiheys siinä, ja tämä parametri pienenee lisääntyessä "likaa" suprajohteissa.
