Physiker haben eine Erklärung für das paradoxe Verhalten "sehr schmutziger" Supraleiter bei niedrigen Temperaturen gefunden. Mit diesen vielversprechenden Materialien kann ein Quantencomputer erstellt werden. Wenn Wissenschaftler verstehen, warum solche Substanzen nicht der Standardtheorie der Supraleitung entsprechen, können sie die isoliertesten Qubits erzeugen - die elementaren Recheneinheiten von Quantencomputern. Die Arbeit eines Forscherteams unter Beteiligung von Mitarbeitern des L. D. Landau RAS wurde in der Zeitschrift Nature Physics veröffentlicht.
Supraleiter sind Materialien, bei denen unter bestimmten Bedingungen der elektrische Widerstand vollständig verschwindet. Dies bedeutet, dass elektrischer Strom ohne Verlust durch Drähte fließen kann, die aus diesem Material bestehen, während bei herkömmlichen Drähten ein Teil der Energie als Wärme abgeführt wird. Die Supraleitung wurde zu Beginn des 20. Jahrhunderts entdeckt, aber die erste phänomenologische Theorie, die viele ihrer Eigenschaften erklärte, wurde 1950 von Lev Landau und Vitaly Ginzburg entwickelt. Sieben Jahre später entwickelten die Amerikaner Harry Bardeen, Leon Cooper und John Schrieffer eine allgemeine Theorie der Supraleitung (die sogenannte BCS-Theorie), die sofort den Nobelpreis erhielt - so offensichtlich war die kolossale Bedeutung des Phänomens.
Die BCS-Theorie sagte unter anderem voraus, wie sich Supraleiter in einem Magnetfeld verhalten sollten. Wenn die Felder klein sind, "drücken" solche Substanzen sie aus sich heraus und bleiben dabei supraleitend. Diese grundlegende Eigenschaft wird als Meissner-Effekt bezeichnet. Wenn wir das Feld weiter vergrößern, verschwinden irgendwann die supraleitenden Eigenschaften abrupt. Der Wert, bei dem das Magnetfeld die Supraleitung im Material unterdrückt, wird als kritisches Magnetfeld bezeichnet. Es kommt auf die Temperatur an: Je kälter, desto größer das kritische Feld. Das heißt, wenn ein Supraleiter eine Temperatur nahe der kritischen hat, reichen bereits kleine Magnetfelder aus, um ihn aus dem supraleitenden Zustand zu bringen. Bei sehr starker Abkühlung (bis zu 1/5 der kritischen Temperatur und darunter) verschwindet diese Regelmäßigkeit und das kritische Magnetfeld hängt nicht mehr von der Temperatur ab. Um ein Material aus einem supraleitenden Zustand zu entfernen, muss nun ein Magnetfeld gleicher Größe angelegt werden - es spielt keine Rolle, ob der Supraleiter bei dieser Temperatur bleibt oder sogar abkühlt.
"Dieses klassische Bild der Abhängigkeit gilt nicht für" sehr schmutzige "Supraleiter", erklärt einer der Autoren des Artikels, Mikhail Feigelman vom Institut für Physik, benannt nach L. D. Landauer. - Dieser Begriff bezeichnet Supraleiter aus Metalllegierungen mit einem stark beschädigten, fast amorphen Kristallgitter. Das kritische Magnetfeld steigt mit abnehmender Temperatur ungefähr linear weiter auf willkürlich niedrige Werte an, die experimentell erreicht werden können. Diese Tatsache war lange bekannt, aber er hatte keine klare Erklärung."
In der neuen Arbeit konnten Wissenschaftler verstehen, wie das atypische Verhalten von "sehr schmutzigen" Supraleitern aussieht. Das Schlüsselexperiment, das es möglich machte, dies zu verstehen, war die Messung eines weiteren wichtigen Parameters von Supraleitern - des kritischen Stroms. Dies ist der Maximalwert des Dauerstroms, der in einem Supraleiter ohne Energieverlust zur Wärmeableitung fließen kann. Bei höheren Strömen verliert die Substanz ihre supraleitenden Eigenschaften, dh es tritt Widerstand in ihr auf und die Probe der Substanz beginnt sich zu erwärmen. Physiker haben gemessen, wie der kritische Strom in einem supraleitenden Indiumoxidfilm vom Magnetfeld abhängt. Die Wissenschaftler leiteten einen Strom durch den Film, der sich in einem Magnetfeld befand, dessen Wert geringfügig unter dem kritischen Wert lag, und beobachteten, bei welchem Wert des Stroms in der Probe das supraleitende Verhalten zerstört würde.
Ähnliche Experimente wurden bereits durchgeführt. Die Einzigartigkeit dieser Arbeit besteht darin, dass die Abhängigkeit des maximalen supraleitenden Stroms vom Magnetfeld in "sehr verschmutzten" Supraleitern bei Magnetfeldern nahe kritischen und sehr niedrigen Temperaturen gemessen wurde. „Überraschenderweise stellte sich heraus, dass der kritische Strom auf sehr einfache Weise davon abhängt, wie nahe das Magnetfeld am kritischen Wert liegt. Es ist eine Macht-Gesetz-Beziehung, der Abschluss ist 3/2 “, sagt Feigelman. Darüber hinaus haben Wissenschaftler festgestellt, wie das kritische Feld in einem Indiumoxidfilm von der Temperatur abhängt.
„Durch die Betrachtung der Ergebnisse dieser beiden Experimente konnten wir verstehen, wie sie zusammenhängen“, sagt Feigelman. - Ein stabiler Anstieg des kritischen Magnetfeldes bei niedrigen Temperaturen in "sehr verschmutzten" Supraleitern tritt auf, weil im supraleitenden Zustand, der in einem starken Magnetfeld realisiert wird, thermische Schwankungen der sogenannten Abrikosov-Wirbel (Quanten-Superstrom-Wirbel, die in Supraleitern unter auftreten) auftreten die Wirkung eines externen Magnetfeldes, das auf diese Weise in den Supraleiter eindringt). Und wir haben einen Weg gefunden, diese Schwankungen zu beschreiben. " Die Vorhersagen der von den Autoren erstellten Theorie beschreiben die erhaltenen experimentellen Daten gut.
"Sehr schmutzige" Supraleiter, auch hochgradig ungeordnete Supraleiter genannt, sind ein aktives Forschungsgebiet in der modernen Physik. Je mehr "Unordnung" ein Metall hat, desto schlechter leitet es normalerweise einen elektrischen Strom. Mit abnehmender Temperatur steigt die Leitfähigkeit ungeordneter Metalle. "Sehr schmutzige" Supraleiter verhalten sich anders: Im Normalzustand sind sie schwache Dielektrika und leiten beim Abkühlen immer schlechteren Strom, aber bei Erreichen einer kritischen Temperatur wandeln sie sich abrupt in Supraleiter um. "Ein Supraleiter und ein Dielektrikum sind in ihren Eigenschaften entgegengesetzte Zustände, weshalb es überraschend ist, dass sie sich in solchen Substanzen ineinander umwandeln können", erklärt Feigelman. - Obwohl "sehr schmutzige" Supraleiter seit 25 Jahren untersucht werden, ist eine vollwertige Theorie,was all ihre Kuriositäten erklären würde, ist immer noch nicht vorhanden."
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In den letzten Jahren hat das Interesse an ungeordneten Supraleitern aufgrund der Entstehung neuer Bereiche, in denen solche Substanzen sehr gefragt sind, zusätzlich zugenommen. Zum Beispiel sind "sehr schmutzige" Supraleiter ideal, um supraleitende Quantenbits von allen Arten von Interferenzen zu isolieren - den elementaren Recheneinheiten eines Quantencomputers. Es ist am bequemsten, sie mit Elementen mit sehr hoher Induktivität von der Außenwelt zu isolieren. Sie bestimmt, wie stark der magnetische Fluss durch den im System fließenden elektrischen Strom erzeugt wird. Die Induktivität einer Substanz ist umso größer, je geringer die Dichte der darin enthaltenen leitenden Elemente ist, und dieser Parameter nimmt mit dem Wachstum von "Schmutz" in Supraleitern ab.
