Сверхпроводник полуторного рода удивил физиков двуличностью
Изучением явления сверхпроводимости физики занимаются почти сотню лет. Но до сих пор они делают открытия, каковые разрушают общепринятую совокупность классификации.
В этом случае бельгийские и швейцарские учёные нашли нестандартное состояние прекрасно изученного двухкомпонентного сверхпроводника, которое назвали «род 1,5».
Сверхпроводники – это вещества, каковые, пребывав 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 дробят на два рода.
Сейчас же опыт продемонстрировал – существует соединение, в котором присутствует «смешанная» сверхпроводимость.
не сильный внешнее магнитное поле не попадает в количество сверхпроводящего материала, спадая до нуля в приповерхностном слое. Но в случае если внешнее поле преодолеет некое критическое значение, то сверхпроводимость в материале провалится сквозь землю (в случае если лишь она не двухмерная).
В сверхпроводниках первого рода (к примеру в свинце либо олове) это происходит мгновенно.
Изображения положений вихрей Абрикосова, полученные посредством способа Биттера.
Изучения 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 пара усложняется, поскольку для них существуют два критических значения поля. По достижении первого внешнее поле начинает неспешно попадать в толщу материала в виде «нитей» (так называемых вихрей Абрикосова).
В центре каждого вихря сверхпроводимости нет, а между ними электрическое сопротивление так же, как и прежде 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 обычное состояние.
Сейчас же Виктор Мощалков (Victor Moshchalkov) и его коллеги из бельгийского Католического университета города Лёвена (Katholieke Universiteit Leuven) продемонстрировали, что недорогой сверхпроводник диборид магния (MgB2) не просто относится к обоим родам сходу, но и имеет ещё более сложное переходное состояние – «род 1,5» (Type-1.5).
Слева продемонстрированы настоящие положения вихрей Абрикосова, полученные посредством способа Биттера. Справа – расчётные положения, полученные путём численного моделирования для двухкомпонентного сверхпроводника.
Видно, что в дибориде магния структура вихрей неоднородна (пунктиром выделены области без вихрей). Различными цветами выделены пары вихрей, расположенных на обычных расстояниях. Масштабные линейки соответствуют десяти микрометрам (фото и иллюстрации V. V. Moshchalkov и M. Menghini/K.
U. Leuven).
Для того чтобы выяснить, как это происходит, разберём процесс появления сверхпроводимости в материале ещё более детально.
Падение электрического сопротивления до нуля обусловлено образованием в материала связанных пар электронов (так называемых куперовских пар). При перемещении таких пар в кристаллической решётке сверхпроводника энергия электронов не изменяется (в квантовой механике говорят, что не происходит рассеяния электронных волн на тепловых колебаниях решётки либо примесях).
Эти электроны находятся в определённой энергетической территории. У диборида магния их две, и любая из них снабжает его двумя родами сверхпроводимости.
Сейчас же поступила информация, что эти территории смогут взаимодействовать, образуя сверхпроводник нового рода.
Об этом авторы написали в статье, размещённой в издании Physical Review Letters (препринт тут, PDF-документ).
На этих графиках продемонстрировано распределение обычных расстояний между ближайшими вихрями в опыте (слева) и теории (справа).
Видно, что при сверхпроводника второго рода (NbSe2) присутствует лишь один главный пик, что и обуславливает равномерное распределение вихрей. Одвременно с этим в MgB2 сходу пара пиков, так, голубая стрелка показывает чаще всего видящееся расстояние между соседними вихрями.
Кроме этого существуют более маленькое (красная стрелка) и более долгое расстояния (зелёная), что ведет к появлению неоднородного «паутинного» распределения (иллюстрации V. V. Moshchalkov и M. Menghini/K. U. Leuven).
Дабы заметить это «полуторное» состояние в опыте, физики изучили ультрачистый кристалл MgB2.
Установить, к какому роду относится сверхпроводник, возможно 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 первом этапе они отталкиваются друг от друга, образуя вихревую решётку.
В дибориде магния возможно воспроизвести оба этих состояния. По модели физиков, вихри должны были как отталкиваться, так и притягиваться.
Другими словами в одних частях материала появляются группы связанных вихрей, а в других сверхпроводящие «ленты» (пустоты). Всё это имеет неупорядоченную структуру.
Именно это исследователи и замечали в собственных опытах. Правда, пока им не удалось отыскать хорошее объяснение замеченному.
Распределение вихрей в монокристалле MgB2 (a) и NbSe2 (b) в поле 5 эрстед. Внизу продемонстрировано теоретическое распределение, полученное путём численного моделирования.
Масштабные линейки соответствуют десяти микрометрам. На графиках отображена связь плотности между расстояния и вихрей от вихревых «лент», начало отсчёта продемонстрировано жёлтыми пунктирными линиями (фото и иллюстрации V. V. Moshchalkov и M. Menghini/K.
U. Leuven).
Тем временем другие научные группы уже подготавливаются подтвердить замечаемые эффекты. К ним относится лаборатория Егора Бабаева (Egor Babaev) из университета Массачусетса (University of Massachusetts Amherst).
Бабаев предсказал существование для того чтобы состояния сверхпроводника.
Он уверен в том, что в случае если опубликованные эти будут обоснованы, новому эффекту точно найдётся масса применений (тем более что MgB2 — не единственный сверхпроводник, относящийся сходу к обоим родам). В будущем вихри возможно будет выстраивать в материалах как упорядоченно, так и непоследовательно, а также заставлять «перетекать», как жидкость.
Но, перед тем как это произойдёт, учёным ещё предстоит много поломать головы над новым родом сверхпроводников. А кто-то из них, возможно, отыщет и ещё более сложные состояния.
