Физики из США смогли превратить сверхпроводник в изолятор, создав в нем своеобразные зоны "квантовой неопределенности" при помощи слабых магнитных полей, что поможет раскрыть секреты их работы при высоких температурах, говорится в статье, опубликованной в журнале Scientific Reports.
"Создавая новые технологии, мы все время пытаемся "выжать" все больше и больше полезного из квантовых свойств разных материалов, однако они всегда содержат в себе примеси, мешающие реализации этой задачи. Мы показали, что в сверхпроводниках существуют случайные квантовые эффекты, порождаемые магнитными полями и дефектами. Их изучение поможет нам понять, что ограничивает работу сверхпроводников",
— заявил Джим Валлис (Jim Vallis) из Брауновского университета (США).
В соответствии с общепринятой на сегодня теорией сверхпроводимости, многие металлы и сплавы начинают проводить электрический ток без какого-либо сопротивления при достаточно низких температурах из-за того, что электроны в них начинают объединяться в так называемые куперовские пары.
Физики впервые проследили за полетом пары электронов в сверхпроводнике
Подобные пары частиц ведут себя не как отдельные электроны, а как волны, и представляют собой единое целое с точки зрения законов квантовой физики, что позволяет им проводить электричество с нулевыми потерями.
Как рассказывает Валлис, куперовские пары достаточно просто разрушить, повысив температуру внутри сверхпроводника или поместив его в сильное магнитное поле, которые заставят электроны "разорвать" отношения и начать самостоятельную жизнь. Оказалось, что помимо этих двух "энергоемких" методов, существует еще один способ превращения сверхпроводника в изолятор, затрагивающий квантовые свойства материи.
Авторы статьи обратили внимание на то, что куперовские пары внутри сверхпроводников двигаются так, что "пики" и "ямы" в квантовых волнах этих электронов будут связаны друг с другом особым образом. Если эту связь нарушить, создав препятствия для одной из волн и вызвав так называемый "фазовый сдвиг", то тогда куперовская пара распадется, так как она не сможет двигаться дальше.
Валлис и его коллеги попытались создать подобные препятствия, изготовив кусочек сверхпроводника необычной формы из висмута, похожий на губку с множеством микроскопических дырок.
В нормальных условиях электроны перемещаются по нему беспрепятственно, однако, если на одну из таких дырок подействовать очень слабым магнитным полем, в ней возникнут своеобразные квантовые "воронки", вокруг которых будут двигаться потоки электрического тока. Эти структуры будут препятствовать дальнейшему движению куперовских пар и превращать эту "губку" в обычный изолятор, несмотря на то, что магнитное поле подобной силы обычно не способно проникнуть внутрь сверхпроводника и уничтожить пары электронов само по себе.
Как считает Валлис, подобный трюк может помочь физикам понять, какие свойства высокотемпературных сверхпроводников, способных работать при почти "природных" температурах, отвечают за их удивительные свойства, и как их можно улучшить и достичь комнатной сверхпроводимости, подавляя появление подобных "воронок" и связанных с ними дефектов.