En internationell grupp forskare, inklusive en forskare från Skoltech, har genomfört en experimentell och teoretisk studie av egenskaperna som visas av starkt störda superledare vid mycket låga temperaturer. Efter en rad experiment, forskarna utvecklade en teori som effektivt beskriver de tidigare oförklarliga avvikelser som möttes i superledare. Resultaten av studien publicerades i Naturfysik .

Fenomenet supraledning upptäcktes 1911 av en grupp forskare under ledning av den nederländska fysikern Heike Kamerlingh Onnes. Superledningsförmåga betyder fullständigt försvinnande av elektrisk motstånd i ett material när det kyls ner till en specifik temperatur, vilket resulterar i att magnetfältet tvingas ut ur materialet. Av särskilt intresse för forskare är starkt störda superledare vars atomer inte bildar kristallgaller. Ur praktisk synpunkt, starkt störda superledare har stor potential för kvantdatorutveckling.

Vid mycket låga temperaturer, superledare uppvisar en anomali som inte kan förklaras utifrån den klassiska teorin om supraledning. Denna anomali gäller temperaturberoendet för det maximala magnetfältet som fortfarande överensstämmer med materialets supraledande beteende. Detta maximala fält, även kallat det "övre kritiska" fältet, ökar alltid när provtemperaturen sjunker, i vanliga superledare, det slutar nästan växa vid temperaturer som är flera gånger lägre än den superledande övergångstemperaturen. Till exempel, när det gäller amorfa indiumoxidfilmer som används i denna studie som blir supraledande vid 3 K (-270 ^o C), man skulle förvänta sig att det kritiska magnetfältet slutar växa vid temperaturer under 0,5 K. Men experimentet indikerar att det kritiska fältet fortsätter att växa även om temperaturen sjunker till de lägsta möjliga värdena (cirka 0,05 K i detta experiment), och dess tillväxt visar inga tecken på mättnad.

Forskare från Skoltech, Landau Institute for Theoretical Physics, Institut Néel (Frankrike), Weizmann Institute of Science (Israel) och University of Utah (USA) visade att avvikelsen orsakas av termiska fluktuationer av kvant Abrikosov virvlar. Magnetfältet som tränger in i den störda superledaren har formen av virvlar, dvs rör, var och en bär magnetiskt flöde lika med grundvärdet hc/2e, där h är plankonstanten, c är ljusets hastighet, och e är elektronladdningen.

Vid absolut noll, dessa virvlar är orörliga och fast bundna till atomstrukturen, medan någon nollpunktstemperatur leder till fluktuationer i virvelrören runt hemmabaser. Styrkan hos dessa fluktuationer växer med temperaturen, och detta resulterar i en minskning av magnetfältet som kan appliceras på ett material utan att påverka dess supraledande egenskaper.

"Vi har utvecklat en teori om effekten av termiska fluktuationer av Abrikosov virvlar på värdet av det övre kritiska fältet, vilket hjälpte oss att upprätta ett samband mellan två olika typer av mätningar, "säger Mikhail Feigelman, huvudforskare vid Skoltech och biträdande direktör vid Landau institut för teoretisk fysik.

Att få en inblick i beteendet hos starkt störda superledare är avgörande för deras användning i supraledande kvantbitar - nyckelelement i kvantdatorer. Det blev uppenbart för några år sedan att flera applikationer inom detta område kräver mycket små element med hög induktans (elektrisk tröghet), och de starkt störda superledarna passar bäst för sådana "superinduktans" -element. "Förståelse för beteendet hos dessa material hjälper till att skapa supraledande kvantbitar som är mycket isolerade från yttre brus, säger Feigelman.