I fisici hanno trovato una spiegazione per il comportamento paradossale dei superconduttori "molto sporchi" a basse temperature. Questi materiali promettenti possono essere utilizzati per creare un computer quantistico. Comprendendo perché tali sostanze non obbediscono alla teoria standard della superconduttività, gli scienziati saranno in grado di creare i qubit più isolati: le unità di calcolo elementari dei computer quantistici. Il lavoro di un team di ricercatori con la partecipazione di dipendenti della L. D. Landau RAS è stato pubblicato sulla rivista Nature Physics.
I superconduttori sono materiali in cui, in determinate condizioni, la resistenza elettrica scompare completamente. Ciò significa che la corrente elettrica può fluire attraverso i fili che sono fatti di questo materiale senza perdite, mentre nei fili convenzionali parte dell'energia viene dissipata come calore. La superconduttività fu scoperta all'inizio del XX secolo, ma la prima teoria fenomenologica, che spiegava molte delle sue proprietà, fu sviluppata nel 1950 da Lev Landau e Vitaly Ginzburg. Sette anni dopo, gli americani Harry Bardeen, Leon Cooper e John Schrieffer crearono una teoria generale della superconduttività (la cosiddetta teoria BCS), che vinse immediatamente il premio Nobel: l'enorme significato del fenomeno era così ovvio.
Tra le altre cose, la teoria BCS ha predetto come i superconduttori dovrebbero comportarsi in un campo magnetico. Quando i campi sono piccoli, tali sostanze li "spingono" fuori da se stessi, pur rimanendo superconduttori. Questa proprietà fondamentale è chiamata effetto Meissner. Se continuiamo ad aumentare il campo, ad un certo punto le proprietà superconduttrici scompaiono bruscamente. Il valore al quale il campo magnetico sopprime la superconduttività nel materiale è chiamato campo magnetico critico. Dipende dalla temperatura: più è freddo, maggiore è il campo critico. Cioè, quando un superconduttore si trova a una temperatura prossima a quella critica, anche piccoli campi magnetici sono sufficienti per portarlo fuori dallo stato di superconduttore,tuttavia, con un raffreddamento molto forte (fino a 1/5 della temperatura critica e inferiore) questa regolarità scompare e il campo magnetico critico cessa di dipendere dalla temperatura. Ora, per rimuovere un materiale da uno stato superconduttore, è necessario applicare un campo magnetico della stessa ampiezza: non importa se il superconduttore rimane a questa temperatura o addirittura si raffredda.
"Questo quadro classico della dipendenza non vale per i superconduttori" molto sporchi ", spiega uno degli autori dell'articolo, Mikhail Feigelman dell'Istituto di fisica intitolato a L. D. Landò. - Questo termine indica i superconduttori costituiti da leghe metalliche con un reticolo cristallino altamente danneggiato, quasi amorfo. Il campo magnetico critico continua ad aumentare in modo approssimativamente lineare con la diminuzione della temperatura a valori arbitrariamente bassi che possono essere ottenuti sperimentalmente. Questo fatto era noto da molto tempo, ma non aveva una spiegazione chiara ".
Nel nuovo lavoro, gli scienziati sono stati in grado di capire qual è la natura del comportamento atipico dei superconduttori "molto sporchi". L'esperimento chiave che ha permesso di comprenderlo è stata la misurazione di un altro parametro più importante dei superconduttori: la corrente critica. Questo è il valore massimo della corrente sostenuta che può fluire in un superconduttore senza perdita di energia per la dissipazione in calore. A correnti più elevate, la sostanza perde le sue proprietà superconduttrici, cioè la resistenza appare in essa e il campione della sostanza inizia a riscaldarsi. I fisici hanno misurato come la corrente critica in un film di ossido di indio superconduttore dipende dal campo magnetico. Gli scienziati hanno fatto passare una corrente attraverso la pellicola, che era in un campo magnetico, il cui valore era leggermente inferiore al valore critico, e hanno osservato a quale valore della corrente nel campione il comportamento superconduttore sarebbe stato distrutto.
Esperimenti simili sono stati condotti prima. L'unicità di questo lavoro è che la dipendenza della massima corrente superconduttrice dal campo magnetico in superconduttori "molto sporchi" è stata misurata a campi magnetici prossimi a temperature critiche e molto basse. “Sorprendentemente, si è scoperto che la corrente critica in un modo molto semplice dipende da quanto il campo magnetico è vicino al valore critico. È una relazione di potere-legge, il grado è 3/2 ", dice Feigelman. Inoltre, gli scienziati hanno determinato in che modo il campo critico in un film di ossido di indio dipende dalla temperatura.
"Osservando i risultati di questi due esperimenti, siamo stati in grado di capire come sono correlati", afferma Feigelman. - Un aumento stabile del campo magnetico critico alle basse temperature nei superconduttori "molto sporchi" si verifica a causa del fatto che nello stato superconduttore, che si realizza in un forte campo magnetico, ci sono fluttuazioni termiche dei cosiddetti vortici di Abrikosov (vortici quantistici supercorrenti che compaiono nei superconduttori sotto l'effetto di un campo magnetico esterno, che penetra in questo modo nel superconduttore). E abbiamo trovato un modo per descrivere queste fluttuazioni ". Le previsioni della teoria elaborate dagli autori descrivono bene i dati sperimentali ottenuti.
I superconduttori "molto sporchi", chiamati anche superconduttori altamente disordinati, sono un'area attiva di ricerca nella fisica moderna. Di solito, maggiore è il "disturbo" di un metallo, peggiore è la conduzione di una corrente elettrica. Con la diminuzione della temperatura, la conduttività dei metalli disordinati aumenta. I superconduttori "molto sporchi" si comportano diversamente: allo stato normale sono dielettrici deboli e, una volta raffreddati, conducono la corrente sempre peggiore, ma al raggiungimento di una temperatura critica si trasformano improvvisamente in superconduttori. "Un superconduttore e un dielettrico sono stati opposti in termini di proprietà, motivo per cui è sorprendente che in tali sostanze possano trasformarsi l'uno nell'altro", spiega Feigelman. - Sebbene i superconduttori "molto sporchi" siano stati studiati per 25 anni, una teoria a tutti gli effetti,che spiegherebbe tutte le loro stranezze, non è ancora presente."
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Negli ultimi anni, l'interesse per i superconduttori disordinati è ulteriormente aumentato a causa dell'emergere di nuove aree in cui tali sostanze sono molto richieste. Ad esempio, i superconduttori "molto sporchi" sono ideali per isolare i bit quantistici superconduttori - le unità computazionali elementari di un computer quantistico - da tutti i tipi di interferenza. È più conveniente isolarli dal mondo esterno utilizzando elementi con induttanza molto elevata. Determina quanto sarà forte il flusso magnetico creato dalla corrente elettrica che scorre nel sistema. L'induttanza di una sostanza è tanto maggiore quanto minore è la densità degli elementi conduttori in essa contenuti e questo parametro diminuisce con la crescita dello "sporco" nei superconduttori.
