Международная группа ученых, в состав которой вошел исследователь из Сколтеха, провела экспериментальное и теоретическое исследование свойств сильно неупорядоченных сверхпроводников при очень низких температурах. После серии экспериментов была предложена теория, хорошо описывающая аномалии, наблюдаемые в сверхпроводниках, объяснения которым ранее не находили. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Physics.

Явление сверхпроводимости было открыто группой голландского физика Камерлинг-Оннеса в 1911 году. Оно проявляется в полном исчезновении электрического сопротивления при понижении температуры и приводит к вытеснению магнитного поля из материала. Особый интерес для ученых представляют сильно неупорядоченные сверхпроводники, чьи атомы не образуют кристаллических решеток. С практической точки зрения, сильно неупорядоченные сверхпроводники –перспективные материалы для создания «квантовых битов» — элементов квантовых компьютеров.

При очень низких температурах в поведении сильно неупорядоченных cверхпроводниках наблюдается аномалия, которая не находила объяснения в традиционной теории сверхпроводимости. Она касается зависимости максимального магнитного поля, которое еще не разрушает сверхпроводимости, от температуры образца. Это максимальное поле (его называют «верхним критическим») растет с понижением температуры, но в обычных сверхпроводниках рост этот останавливается при температурах в несколько раз ниже чем температура перехода в сверхпроводящее состояние. Например, для исследованных в этой работе аморфных пленок оксида индия, которые становятся сверхпроводящими примерно при 3 градусах Кельвина (т. е. -270 градусов Цельсия), ожидалось бы прекращение роста критического магнитного поля при температурах ниже 0.5 К.

А эксперимент показывает, что рост критического поля с понижением температуры происходит вплоть до самых низких возможных температур (около 0.05 К в этом эксперименте) и никаких признаков его «остановки» не видно.

Ученые из Сколтеха, Института теоретической физики имени Ландау, Института Нееля (Франция), Института Вейцмана (Израиль) и университета Утах (США) продемонстрировали, что наблюдаемая аномалия в поведении сверхпроводников вызвана тепловыми колебаниями положений квантовых «вихрей Абрикосова». Именно в форме таких вихрей (трубок, каждая из которых несет магнитный поток, равный фундаментальному значению hc/2e, гдн h — постоянная Планка, c — скорость света, и e — заряд электрона) в неупорядоченный сверхпроводник проникает магнитное поле.

При абсолютном нуле температуры эти вихри неподвижны, жестко прикреплены к атомной структуре материала. Но уже самые низкие температуры приводят к «дрожанию» вихревых трубок около своих «мест прописки». В результате этого, уменьшается с температурой максимальное магнитное поле, которое можно приложить к материалу, все еще сохранив его сверхпроводящие свойства.

«Нам удалось связать между собой результаты двух разных типов измерений, введя понятие о тепловых флуктуациях вихрей Абрикосова» рассказывает, научный сотрудник Сколтеха и Института теоретической физики имени Ландау, Михаил Фейгельман.

Понимание поведения неупорядоченных сверхпроводников необходимо для их успешного применения при создании сверхпроводящих квантовых битов — основных элементов квантовых компьютеров. Уже несколько лет назад стало ясно, что многочисленные применения в этой области требуют очень маленьких элементов с большой индуктивностью (электрической «инерцией»). Именно сильно неупорядоченные сверхпроводники наиболее подходят для создания таких «сверхиндуктивных» элементов. «Прогресс в понимании поведения таких материалов поможет в создании хорошо защищенных от внешних помех квантовых битов», говорит Фейгельман.