Добавь сайт в закладки нажми CTRL+D
Сверхпроводники – это уникальные материалы, которые демонстрируют нулевое электрическое сопротивление при охлаждении ниже определённого температурного порога. С момента их открытия в 1911 году сверхпроводники стали повсеместно использоваться в современных технологиях – от аппаратов МРТ до создания прочных магнитов для ускорителей частиц.
Что такое сверхпроводники
Сверхпроводники – это класс материалов, внутреннее сопротивление которых снижается до нуля при низких критических температурах. Благодаря этому электрический ток способен проходить через сверхпроводники без внешнего источника энергии, когда они находятся в этом сверхпроводящем состоянии.
Традиционно сверхпроводники делятся на две категории – тип I и тип II. Однако новые исследования показали, что существует третий тип сверхпроводников, называются сверхпроводники III типа. Это исследование было проведено группой учёных, в том числе доктором Валерием Винокуром, директором по технологиям компании Terra Quantum, специализирующейся на квантовых технологиях, базирующейся в Германии и Швейцарии.
«Одна из основных характеристик традиционных сверхпроводников заключается в том, что они вытесняют магнитные поля при внешнем воздействии. В обоих случаях при превышении порогового значения магнитное поле полностью уничтожает сверхпроводимость в материале», – сказал Винокур, объясняя суть проблемы.
Чтобы понять, как сверхпроводники III типа обходят эту проблему, нам нужно заглянуть внутрь.
Основы сверхпроводимости
У обычного проводника электроны испытывают электростатическое отталкивание из-за своего отрицательного заряда. При движении электронов через материал они рассеиваются на примесях, дефектах и других электронах.
Рассеяние представляет собой сопротивление, с которым электроны сталкиваются в материале, что и является электрическим сопротивлением материала, которое для проводников очень мало, но не равно нулю. Однако в сверхпроводниках механизм немного другой.
Теория БКШ
В обычных сверхпроводниках механизм, лежащий в основе их сверхпроводящих свойств, описывается теорией Бардина-Купера-Шриффера (БКШ).
Решающую роль здесь играют высокоэнергетические электроны – те, что находятся на уровне Ферми, где располагаются наиболее активные электроны материала. Эти электроны сильно взаимодействуют с фононами, которые представляют собой колебания в кристаллической решётке материала. Под решёткой понимается повторяющееся расположение атомов или ионов (заряженных атомов) в материале.
Когда электроны движутся через материал, их отрицательный заряд создаёт искажения в решётке, притягивая близлежащие положительно заряженные атомы. Другой пролетающий мимо электрон притягивается к ним, создавая косвенное эффективное взаимодействие между двумя электронами, опосредованное решёткой, т. е. фононы.
Теперь спаренные электроны движутся через решётку без эффектов рассеяния, наблюдаемых в обычных проводниках. Эти спаренные электроны называются парами Купера и ведут себя как единое целое. Когда пары Купера проходят через материал, они движутся согласованно, в отличие от отдельных электронов, которые движутся беспорядочно. Когерентное движение пар Купера означает, что они не рассеиваются на примесях, дефектах или других электронах.
Поскольку материал не оказывает им сопротивления, куперовские пары движутся свободно, без электрического сопротивления, что приводит к сверхпроводимости. Однако это явление наблюдается только при охлаждении сверхпроводящего материала ниже определённой температуры, называемой критической.
Сверхпроводники I и II типа
Сверхпроводники первого и второго типа отличаются друг от друга вытеснением магнитного поля. Это явление известно как эффект Мейснера.
Хотя сверхпроводники проявляют эффект Мейснера, когда помещаются во внешнее магнитное поле, можно задаться вопросом, зачем их вообще помещать в такое поле. Ответ на этот вопрос кроется в областях применения сверхпроводников.
Сверхпроводники обладают уникальным свойством нулевого электрического сопротивления, что позволяет им проводить большой ток без потери энергии. Большой ток необходим для создания сильного и стабильного магнитного поля. Эти сильные магнитные поля находят широкое применение, например, в аппаратах МРТ, ускорителях частиц и термоядерных реакторах.
Кроме того, излучаемое магнитное поле всегда противостоит приложенному, вызывая отталкивание. Это отталкивание может быть использовано для магнитной левитации, например, в поездах Маглев (MagLev).
Эффект Мейснера также помогает экранировать внутренние части сверхпроводников от магнитных полей, что делает их полезными для экранирования в таких сценариях, как квантовые вычисления, где шум приводит к декогеренции или потере информации.
Тип I
В сверхпроводниках типа I, как только материал охлаждается ниже критической температуры, он полностью вытесняет магнитные поля из своего внутреннего пространства. Однако существует верхний предел, при превышении которого всё разрушается.
Критическое поле – это значение магнитного поля, выше которого сверхпроводник типа I теряет свою сверхпроводимость. Значение уникально для каждого материала. Как только сверхпроводимость теряется, магнитное поле может проникать в материал.
Примерами сверхпроводников I типа являются свинец и ртуть.
Тип II
В сверхпроводниках типа II эффект Мейснера работает несколько иначе. Они имеют два критических значения поля и допускают частичное проникновение магнитного поля.
Ниже нижнего значения критического поля материал ведёт себя так же, как и сверхпроводники типа I, вытесняя магнитное поле. Когда магнитное поле находится между нижним и верхним значениями критического поля, сверхпроводники типа II позволяют магнитному полю проникать в определённые области в виде вихрей.
Эти вихри похожи на торнадо: имеют ядро и окружающие его сверхтоки. По сути, сверхпроводящее состояние материала разрушается без куперовских пар. Сверхтоки, циркулирующие в ядре, действуют как защитный экран, задерживая приложенное магнитное поле на ядре и тем самым защищая остальную часть материала. Но в условиях выше верхнего значения критического поля материал теряет свою сверхпроводимость.
Примерами сверхпроводников II типа являются YBCO (оксид иттрий-барий-медь) и ниобий-титан (NbTi).
Новая категория сверхпроводников – тип III
«Наше открытие сверхпроводимости III типа и её дальнейшее изучение связано с осознанием того, что многочисленные сверхпроводники не позволяют проводить традиционный скрининг электромагнитным полем», – говорит доктор Винокур.
Исследователи обнаружили, что сверхпроводники III типа могут быть реализованы таким образом, что образующиеся вихри не имеют ядер. Подобно II второго типа, эти материалы позволяют магнитным полям проникать внутрь в виде вихрей. Однако ключевое отличие заключается в том, что в сверхпроводниках типа III вихри не имеют ядер.
Кроме того, сверхпроводники III типа характеризуются только одним параметром – глубиной проникновения (λ), которая регулирует поведение вихрей, определяя глубину, на которую магнитное поле может проникнуть в материал. В отличие от этого, сверхпроводники типа II требуют учёта двух различных свойств, что делает их описание более сложным.
Кроме того, нижнее критическое поле сверхпроводников III типа равно нулю при абсолютном нуле (0 Кельвинов или -273,15 градуса Цельсия). Это означает, что нет минимального порога, который нужно преодолеть, и магнитное поле может проникнуть сразу.
Поэтому в сверхпроводниках III типа при приложении внешнего магнитного поля возникают безъядерные вихри, которые переносят магнитное поле, не разрушая сверхпроводящее состояние в остальной части материала, поскольку они не растут и не расширяются.
Исследователи упоминают, что сверхпроводимость III типа наблюдалась в нитриде ниобия (NbN) и нитриде титана ниобия (NbTiN).
Потенциальные применения и будущая работа
Способность сверхпроводников типа III пропускать магнитное поле, не нарушая сверхпроводимости, является огромным преимуществом перед сверхпроводниками типов I и II.
Это также означает, что сверхпроводники III типа более стабильны в магнитных средах, что делает их подходящими для областей, как магнитно-резонансные томографы или ускорители частиц.
«Отсутствие нормального ядра в вихрях III типа означает, что в самом вихре не происходит рассеивания энергии. Поскольку энергия не теряется через диссипацию в ядре, эта характеристика повышает устойчивость сверхпроводника к магнитным помехам, что делает его идеальным для областей с высокой когерентностью», – объясняет доктор Винокур.
Поэтому сверхпроводники типа III могут оказаться очень полезными для квантовых вычислений, где требуется когерентность кубитов. Кроме того, кубиты очень чувствительны к возмущениям магнитного поля, что делает их склонными к декогеренции. Сверхпроводники типа III могут обеспечить более стабильную среду для кубитов, работая с магнитными полями без потерь энергии, связанных с традиционными сверхпроводниками.
Исследование представляет новое направление развития сверхпроводимости, так как открывает принципиально новое поведение сверхпроводников, при котором им не нужно вытеснять магнитные поля.
«Осознание того, что фазовый переход (в сверхпроводимость) у сверхпроводников III типа происходит за счёт освобождения вихрей, а не за счёт разрыва куперовских пар, было особенно удивительным», – признаётся доктор Винокур.
В качестве дальнейших шагов исследователи намерены проверить практическое применение сверхпроводников типа III, особенно их работу, в различных условиях, а также то, как сделать их пригодными для коммерческого использования.
Поделись видео: