Команда исследователей с участием сотрудников МИЭМ ВШЭ показала, что дефекты в материале могут не снижать, а, наоборот, усиливать сверхпроводимость. Это возможно благодаря взаимодействию дефектных и более чистых областей, которое образует «квантовый клей» — однородную компоненту, связывающую разрозненные сверхпроводящие участки в единую сеть. Расчеты подтвердили, что такой механизм может помочь в создании сверхпроводников, работающих при более высоких температурах.
Исследование опубликовано в журнале Communications Physics. Сверхпроводимость — это состояние, при котором электрический ток проходит через материал без сопротивления и не теряет энергию в виде тепла. В обычных проводниках электроны движутся по отдельности и теряют часть энергии на столкновениях с атомами и примесями. В сверхпроводниках же электроны объединяются в куперовские пары и начинают двигаться согласованно, что позволяет току течь без потерь. Благодаря этому свойству сверхпроводники могут использоваться для создания мощных магнитов, медицинских томографов и ускорителей частиц, а также для разработки новых типов вычислительных устройств.
Проблема в том, что сверхпроводимость обычно возникает только при низких температурах и легко разрушается из-за примесей и дефектов в материале. Они дробят сверхпроводимость на отдельные островки, которые не соединяются между собой. Однако именно в таких областях куперовские пары могут формироваться при более высокой температуре. Возникает противоречие: беспорядок в структуре материала способен усиливать сверхпроводимость локально, но мешает ей проявиться во всем образце.
Команда исследователей из НИУ ВШЭ, Московского центра перспективных исследований и Университета Пернамбуку показала, что проблему можно решить, если объединить дефектную (грязную) и чистую подсистемы. Они исследовали двухзонную модель, где одна подсистема сильно неупорядоченна и в ней сверхпроводимость возникает при более высокой температуре, но на отдельных участках, а другая остается чистой: сверхпроводимость в ней слабее, зато обеспечивает связность. При их объединении появляется компонента, действующая как «квантовый клей»: она связывает изолированные островки и позволяет току проходить через весь образец при повышенной температуре.
«Наши расчеты показывают, что при правильном соединении дефектных и чистых областей материал получает и высокую температуру сверхпроводимости, и способность пропускать ток без сопротивления. Обычно беспорядок разрушает этот эффект, но мы увидели обратное: дефекты могут стать ресурсом, который помогает создавать более устойчивые и высокотемпературные сверхпроводники», — поясняет один из авторов исследования, профессор МИЭМ ВШЭ Алексей Вагов.
Расчеты подтвердили, что подход работает при разных типах беспорядка — от случайных примесей до специально созданных сверхрешеток. Наибольший интерес он представляет для многослойных материалов, где можно чередовать чистые и грязные слои, для соединений на основе магния и бора (MgB₂), в которых одна электронная зона усиливает локальную сверхпроводимость, а другая обеспечивает прохождение тока, а также для веществ с плоскими электронными зонами, где электронам проще объединяться в пары. Перспективными считаются и системы на основе графена и графита, где формируются регулярные сверхструктуры, изменяющие электронные свойства и создающие условия для более сильной сверхпроводимости. В будущем это может помочь создавать материалы, в которых дефекты и примеси не мешают, а, наоборот, усиливают сверхпроводимость.