Российские исследователи из НИУ ВШЭ и МФТИ изучили, как состав электронов в сверхпроводнике влияет на появление интертипной сверхпроводимости — особого состояния, при котором сверхпроводники проявляют необычные свойства. Ранее считалось, что она возникает только в материалах с минимальным количеством примесей. Однако ученые выяснили, что область интертипной сверхпроводимости сохраняется и даже может быть расширена в материалах с большим количеством примесей и дефектов. В будущем такие сверхпроводники могут помочь в разработке высокочувствительных сенсоров и детекторов.
Магнит, левитирующий над высокотемпературным сверхпроводником, охлаждаемым жидким азотом / © Mai-Linh Doan, ru.wikipedia.org
Исследование опубликовано в журнале Frontiers of Physics. Сверхпроводниками называют материалы, которые при охлаждении до очень низких температур проводят электричество без потерь энергии. Сверхпроводники обычно делят на два типа. Однако существует состояние интертипной сверхпроводимости, при котором материал ведет себя как «гибрид» двух типов.
В обычных материалах присутствует хотя бы небольшое сопротивление — свойство, которое препятствует прохождению электрического тока и приводит к потере энергии. Однако некоторые материалы при охлаждении до очень низких температур переходят в состояние, при котором сопротивление утрачивается. Такое состояние называют сверхпроводимостью, а материалы — сверхпроводниками.
Когда материал переходит в сверхпроводящее состояние, он полностью вытесняет внешнее магнитное поле, например, от электромагнитов или проводников с током. Однако если внешнее поле становится слишком сильным, сверхпроводник теряет свои свойства и возвращается в обычное состояние.
Сверхпроводники принято делить на два типа. Отнесение к тому или иному типу зависит от поведения в магнитном поле и значения параметра Гинзбурга — Ландау. Параметр зависит от характеристик материала, наличия примесей и дефектов. Если он меньше определенного значения, то материал относится к сверхпроводникам первого типа, если больше — второго.
У первого типа магнитное поле вытесняется из объема, пока напряженность не достигнет критического значения. После этого поле проникает в материал и сверхпроводимость утрачивается. В сверхпроводниках второго типа ситуация иная: магнитное поле начинает проникать, когда напряженность достигает минимального порога, однако сверхпроводимость при этом сохраняется. Поле проникает в виде вихрей — тонких трубок с током, внутри которых находится магнитное поле. Эти вихри образуют упорядоченную структуру в виде решетки.
Однако существует узкая область вокруг критического значения параметра Гинзбурга — Ландау, в которой сверхпроводимость приобретает промежуточные свойства между первым и вторым типами. Это состояние называют интертипной сверхпроводимостью. В нем возникают необычные конфигурации магнитного поля, отличные от решеток: кластеры вихрей, цепочки и гигантские вихри, приводящие к новым магнитным свойствам, отличным от классических.
Изначально интертипная сверхпроводимость наблюдалась только в чистых сверхпроводниках с минимальным количеством примесей. Однако новое исследование ученых Центра квантовых метаматериалов МИЭМ НИУ ВШЭ и Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ показало, что в сверхпроводниках с большим количеством примесей и дефектов область интертипной сверхпроводимости сохраняется. Это возможно в многозонных сверхпроводниках, где присутствуют несколько «сортов» электронов, различающихся по свойствам. Электроны, принадлежащие разным энергетическим зонам, по-разному реагируют на примеси: одни чувствуют их сильнее, другие слабее. При этом степень взаимодействия с примесями можно контролировать, например облучая материал ионами, что позволяет расширить область интертипной сверхпроводимости.
Результаты, полученные учеными, позволяют больше узнать о типах сверхпроводимости и изменении ее свойств в зависимости от условий. Это важно для грамотного использования сверхпроводников в кабелях и мощных магнитах, поскольку токовые и магнитные свойства сверхпроводника зависят от его типа. Также это полезно для разработки новых высокочувствительных устройств.
«Исследование расширяет представления о сверхпроводимости и классической классификации сверхпроводников, существующей уже около 70 лет. Мы показали, что сочетание беспорядка и многозонных эффектов кардинально изменяет свойства сверхпроводников и открывает возможность изучать редкие и экзотические сверхпроводящие состояния. А благодаря тому, что конфигурации магнитного поля при интертипной сверхпроводимости чувствительны к параметрам температуры и тока, в будущем такие сверхпроводники возможно использовать в высокочувствительных сенсорах и детекторах», — комментирует научный сотрудник Центра квантовых метаматериалов МИЭМ НИУ ВШЭ Павел Марычев.
