Forskere forklarer lavtemperaturanomalien i superledere

En international gruppe af videnskabsmænd, herunder en forsker fra Skoltech, har afsluttet en eksperimentel og teoretisk undersøgelse af de egenskaber, som stærkt uordnede superledere viser ved meget lave temperaturer. Efter en række forsøg, forskerne udviklede en teori, der effektivt beskriver de tidligere uforklarlige anomalier, som stødte på i superledere. Resultaterne af undersøgelsen blev offentliggjort i Naturfysik .

Fænomenet superledelse blev opdaget i 1911 af en gruppe forskere under ledelse af den hollandske fysiker Heike Kamerlingh Onnes. Superledning betyder fuldstændig forsvinden af ​​elektrisk modstand i et materiale, når det køles ned til en bestemt temperatur, resulterer i, at magnetfeltet presses ud af materialet. Af særlig interesse for forskere er stærkt uordnede superledere, hvis atomer ikke danner krystalgitter. Fra et praktisk synspunkt, stærkt uordnede superledere rummer et stort potentiale for udvikling af kvantecomputere.

Ved meget lave temperaturer, superledere viser en anomali, som ikke kan forklares ud fra den klassiske teori om superledning. Denne anomali vedrører temperaturafhængigheden af ​​det maksimale magnetiske felt, der stadig er i overensstemmelse med materialets superledende adfærd. Dette maksimale felt, også omtalt som det "øvre kritiske" felt, stiger altid, når prøvetemperaturen falder, der henviser til, at i almindelige superledere, det holder næsten op med at vokse ved temperaturer, der er flere gange lavere end den superledende overgangstemperatur. For eksempel, i tilfælde af amorfe indiumoxidfilm anvendt i denne undersøgelse, der bliver superledende ved 3 K (-270 ^o C), man ville forvente, at det kritiske magnetfelt stopper med at vokse ved temperaturer under 0,5 K. Dog er eksperimentet angiver, at det kritiske felt fortsætter med at vokse, selvom temperaturen falder til de lavest mulige værdier (ca. 0,05 K i dette eksperiment), og dens vækst viser ingen tegn på mætning.

Forskere fra Skoltech, Landau Institut for Teoretisk Fysik, Institut Néel (Frankrig), Weizmann Institute of Science (Israel) og University of Utah (USA) demonstrerede, at anomalien er forårsaget af termiske udsving i kvante Abrikosov-hvirvler. Magnetfeltet, der trænger ind i den uordnede superleder, har form af hvirvler, dvs. rør, hver bærer magnetisk flux lig med grundværdien hc/2e, hvor h er plankekonstanten, c er lysets hastighed, og e er elektronladningen.

Ved absolut nul, disse hvirvler er ubevægelige og stift knyttet til atomstrukturen, mens enhver ikke-nul temperatur fører til udsving i hvirvelrørene omkring hjemmebaser. Styrken af ​​disse udsving vokser med temperaturen, og dette resulterer i et fald i magnetfeltet, der kan påføres et materiale uden at påvirke dets superledende egenskaber.

"Vi har udviklet en teori om effekten af ​​termiske udsving i Abrikosov -hvirvler på værdien af ​​det øvre kritiske felt, som hjalp os med at etablere et forhold mellem to forskellige typer målinger, "siger Mikhail Feigelman, hovedforsker ved Skoltech og vicedirektør ved Landau institut for teoretisk fysik.

At få indsigt i adfærden hos stærkt uordnede superledere er afgørende for deres anvendelse i superledende kvantebits - nøgleelementer i kvantecomputere. Det blev indlysende for et par år siden, at flere anvendelser på dette område kræver meget små elementer med høj induktans (elektrisk inerti), og de stærkt uordnede superledere passer bedst til sådanne "superinduktans" -elementer. "Forståelse af disse materialers adfærd vil hjælpe med at skabe superledende kvantebits meget isoleret fra ekstern støj, ”siger Feigelman.