Сверхпроводник полуторного рода удивил физиков двуличностью

Положение «лент» вихрей Абрикосова, полученное с помощью численного моделирования для «полуторного» двухкомпонентного сверхпроводника (иллюстрация V. V. Moshchalkov и M. Menghini/K. U. Leuven).

Изучением явления сверхпроводимости физики занимаются без малого сотню лет. Однако до сих пор они делают открытия, которые разрушают общепринятую систему классификации. На этот раз бельгийские и швейцарские учёные нашли нестандартное состояние хорошо изученного двухкомпонентного сверхпроводника, которое назвали «род 1,5».

Сверхпроводники – это вещества, которые, находясь при температуре ниже определённого значения, способны пропускать через себя электрический ток без сопротивления. В зависимости от того, как эти материалы реагируют на внешнее магнитное поле, их делят на два рода. Теперь же эксперимент показал – существует соединение, в котором присутствует «смешанная» сверхпроводимость.

Слабое внешнее магнитное поле не проникает в объём сверхпроводящего материала, спадая до нуля в приповерхностном слое. Однако если внешнее поле преодолеет некоторое критическое значение, то сверхпроводимость в материале исчезнет (если только она не двухмерная).

В сверхпроводниках первого рода (например в свинце или олове) это происходит мгновенно.

Изображения положений вихрей Абрикосова, полученные с помощью метода Биттера. Исследования проводились при температуре жидкого гелия 4,2K и поле в один эрстед. Наверху вихри в монокристалле MgB2, внизу – в NbSe2 (сверхпроводнике второго рода). Масштабные линейки соответствуют десяти микрометрам (фото V. V. Moshchalkov и M. Menghini/K. U. Leuven).

В сверхпроводниках второго рода (таких как ниобий) процесс несколько усложняется, так как для них существуют два критических значения поля. По достижении первого внешнее поле начинает постепенно проникать в толщу материала в виде «нитей» (так называемых вихрей Абрикосова). В центре каждого вихря сверхпроводимости нет, а между ними электрическое сопротивление по-прежнему нулевое. Вихри взаимодействуют между собой и образуют упорядоченную структуру — вихревую решётку (наподобие кристаллической). По мере роста напряженности поля число вихрей растёт, и при достижении второй критической величины вихри сливаются, а сверхпроводник переходит в нормальное состояние.

Теперь же Виктор Мощалков (Victor Moshchalkov) и его коллеги из бельгийского Католического университета города Лёвена (Katholieke Universiteit Leuven) показали, что недорогой сверхпроводник диборид магния (MgB2) не просто относится к обоим родам сразу, но и имеет ещё более сложное переходное состояние – «род 1,5» (Type-1.5).

Слева показаны реальные положения вихрей Абрикосова, полученные с помощью метода Биттера. Справа – расчётные положения, полученные путём численного моделирования для двухкомпонентного сверхпроводника. Видно, что в дибориде магния структура вихрей неоднородна (пунктиром выделены области без вихрей). Разными цветами выделены пары вихрей, расположенных на типичных расстояниях. Масштабные линейки соответствуют десяти микрометрам (фото и иллюстрации V. V. Moshchalkov и M. Menghini/K. U. Leuven).

Для того чтобы понять, как это происходит, разберём процесс появления сверхпроводимости в материале ещё более подробно.

Падение электрического сопротивления до нуля обусловлено образованием внутри материала связанных пар электронов (так называемых куперовских пар). При движении таких пар в кристаллической решётке сверхпроводника энергия электронов не меняется (в квантовой механике говорят, что не происходит рассеяния электронных волн на тепловых колебаниях решётки или примесях).

Эти электроны находятся в определённой энергетической зоне. У диборида магния их две, и каждая из них обеспечивает его двумя родами сверхпроводимости.

Теперь же стало известно, что эти зоны могут взаимодействовать, образуя сверхпроводник нового рода.

Об этом авторы написали в статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters (препринт здесь, PDF-документ).

На этих графиках показано распределение типичных расстояний между ближайшими вихрями в эксперименте (слева) и теории (справа). Видно, что в случае сверхпроводника второго рода (NbSe2) присутствует только один основной пик, что и обуславливает равномерное распределение вихрей. В это же время в MgB2 сразу несколько пиков, так, голубая стрелка показывает наиболее часто встречающееся расстояние между соседними вихрями. Также существуют более короткое (красная стрелка) и более длинное расстояния (зелёная), что приводит к появлению неоднородного «паутинного» распределения (иллюстрации V. V. Moshchalkov и M. Menghini/K. U. Leuven).

Чтобы увидеть это «полуторное» состояние в эксперименте, физики исследовали ультрачистый кристалл MgB2.

Установить, к какому роду относится сверхпроводник, можно по поведению вихрей Абрикосова. В сверхпроводниках первого рода при пересечении полем критического значения вихри сразу же сливаются в единое несверхпроводящее целое. В сверхпроводниках второго рода на первой стадии они отталкиваются друг от друга, образуя вихревую решётку.

В дибориде магния можно воспроизвести оба этих состояния. По модели физиков, вихри должны были как отталкиваться, так и притягиваться. То есть в одних частях материала возникают группы связанных вихрей, а в других сверхпроводящие «ленты» (пустоты). Всё это имеет неупорядоченную структуру.

Именно это исследователи и наблюдали в своих экспериментах. Правда, пока им не удалось найти достойное объяснение увиденному.

Распределение вихрей в монокристалле MgB2 (a) и NbSe2 (b) в поле 5 эрстед. Внизу показано теоретическое распределение, полученное путём численного моделирования. Масштабные линейки соответствуют десяти микрометрам. На графиках отображена зависимость плотности вихрей от расстояния от вихревых «лент», начало отсчёта показано жёлтыми пунктирными линиями (фото и иллюстрации V. V. Moshchalkov и M. Menghini/K. U. Leuven).

Тем временем другие научные группы уже готовятся подтвердить наблюдаемые эффекты. К ним относится лаборатория Егора Бабаева (Egor Babaev) из университета Массачусетса (University of Massachusetts Amherst). Бабаев предсказал существование такого состояния сверхпроводника.

Он считает, что если опубликованные данные будут подтверждены, новому эффекту наверняка найдётся масса применений (тем более что MgB2 — не единственный сверхпроводник, относящийся сразу к обоим родам). В будущем вихри можно будет выстраивать в материалах как упорядоченно, так и беспорядочно, и даже заставлять «перетекать», как жидкость.

Впрочем, прежде чем это случится, учёным ещё предстоит немало поломать головы над новым родом сверхпроводников. А кто-то из них, может быть, найдёт и ещё более сложные состояния.



Физики создали прототип батареи на спинах

17 марта 2009

Шотландцы вырастили cеть из неорганических микротрубок

4 марта 2009

Британцы синтезировали уникальный углеродный материал

3 февраля 2009

Создано сложное вещество из одного элемента

30 января 2009

Гибридный реактор уничтожит самые опасные ядерные отходы

29 января 2009
  • Дмитрий Шуклин  25 октября, 17:57
    Интересная и познавательная статья. Спасибо.
    П.С.
    А у нас наука в регрессе :( Некому и не начем делать открытия, да и незачем пожалуй. В РФ наверное тоже не лучше? Мда нет у нас своих Абрикосовых, хотя когда то были :( Куда интересно делись эти неблагодарные?
    ОтветитьНравится