Les physiciens ont trouvé une explication au comportement paradoxal des supraconducteurs «très sales» à basse température. Ces matériaux prometteurs peuvent être utilisés pour créer un ordinateur quantique. En comprenant pourquoi de telles substances n'obéissent pas à la théorie standard de la supraconductivité, les scientifiques pourront créer les qubits les plus isolés - les unités de calcul élémentaires des ordinateurs quantiques. Le travail d'une équipe de chercheurs avec la participation d'employés du L. D. Landau RAS a été publié dans la revue Nature Physics.
Les supraconducteurs sont des matériaux dans lesquels, dans certaines conditions, la résistance électrique disparaît complètement. Cela signifie que le courant électrique peut circuler à travers les fils qui sont faits de ce matériau sans perte, tandis que dans les fils conventionnels, une partie de l'énergie est dissipée sous forme de chaleur. La supraconductivité a été découverte au début du XXe siècle, mais la première théorie phénoménologique, qui expliquait nombre de ses propriétés, a été développée en 1950 par Lev Landau et Vitaly Ginzburg. Sept ans plus tard, les Américains Harry Bardeen, Leon Cooper et John Schrieffer ont créé une théorie générale de la supraconductivité (la soi-disant théorie BCS), qui a immédiatement remporté le prix Nobel - si évidente était la signification colossale du phénomène.
Entre autres, la théorie BCS a prédit comment les supraconducteurs devraient se comporter dans un champ magnétique. Lorsque les champs sont petits, ces substances les "poussent" hors d'elles-mêmes, tout en restant supraconductrices. Cette propriété fondamentale est appelée effet Meissner. Si nous continuons à augmenter le champ, à un moment donné, les propriétés supraconductrices disparaissent brusquement. La valeur à laquelle le champ magnétique supprime la supraconductivité dans le matériau est appelée champ magnétique critique. Cela dépend de la température: plus il fait froid, plus le champ critique est grand. C'est-à-dire que lorsqu'un supraconducteur est à une température proche de la température critique, même de petits champs magnétiques suffisent pour le sortir de l'état supraconducteur,cependant, avec un refroidissement très fort (jusqu'à 1/5 de la température critique et en dessous), cette régularité disparaît et le champ magnétique critique cesse de dépendre de la température. Or, pour retirer un matériau d'un état supraconducteur, il est nécessaire d'appliquer un champ magnétique de même amplitude - peu importe que le supraconducteur reste à cette température ou même refroidisse.
«Cette image classique de la dépendance ne vaut pas pour les supraconducteurs« très sales »», explique l'un des auteurs de l'article, Mikhail Feigelman de l'Institut de physique du nom de L. D. Landau. - Ce terme désigne les supraconducteurs en alliages métalliques avec un réseau cristallin très endommagé, presque amorphe. Le champ magnétique critique continue d'augmenter de manière approximativement linéaire avec la diminution de la température à des valeurs arbitrairement basses qui peuvent être obtenues expérimentalement. Ce fait était connu depuis longtemps, mais il n'avait aucune explication claire."
Dans les nouveaux travaux, les scientifiques ont pu comprendre quelle est la nature du comportement atypique des supraconducteurs «très sales». L'expérience clé qui a permis de comprendre cela a été la mesure d'un autre paramètre le plus important des supraconducteurs - le courant critique. Il s'agit de la valeur maximale du courant soutenu qui peut circuler dans un supraconducteur sans perte d'énergie pour la dissipation en chaleur. À des courants plus élevés, la substance perd ses propriétés supraconductrices, c'est-à-dire qu'une résistance y apparaît et l'échantillon de substance commence à chauffer. Les physiciens ont mesuré comment le courant critique dans un film d'oxyde d'indium supraconducteur dépend du champ magnétique. Les scientifiques ont fait passer un courant à travers le film, qui se trouvait dans un champ magnétique, dont la valeur était légèrement inférieure à la valeur critique, et ont observé à quelle valeur du courant dans l'échantillon le comportement supraconducteur serait détruit.
Des expériences similaires ont déjà été menées. La particularité de ce travail est que la dépendance du courant supraconducteur maximum sur le champ magnétique dans les supraconducteurs "très sales" a été mesurée à des champs magnétiques proches de températures critiques et très basses. «Étonnamment, il s'est avéré que le courant critique d'une manière très simple dépend de la proximité du champ magnétique avec la valeur critique. C'est une relation pouvoir-loi, le degré est de 3/2 », explique Feigelman. En outre, les scientifiques ont déterminé comment le champ critique dans un film d'oxyde d'indium dépend de la température.
«En examinant les résultats de ces deux expériences, nous avons pu comprendre comment elles sont liées», explique Feigelman. - Une augmentation stable du champ magnétique critique à basse température dans les supraconducteurs "très sales" se produit en raison du fait que dans l'état supraconducteur, qui est réalisé dans un champ magnétique fort, il y a des fluctuations thermiques des vortex dits Abrikosov (vortex quantiques à supracourants qui apparaissent dans les supraconducteurs sous l'effet d'un champ magnétique externe, qui pénètre de cette manière dans le supraconducteur). Et nous avons trouvé un moyen de décrire ces fluctuations. " Les prédictions de la théorie élaborées par les auteurs décrivent bien les données expérimentales obtenues.
Les supraconducteurs «très sales», également appelés supraconducteurs hautement désordonnés, sont un domaine de recherche actif en physique moderne. Habituellement, plus un métal a de «désordre», plus il conduit un courant électrique. Avec la diminution de la température, la conductivité des métaux désordonnés augmente. Les supraconducteurs "très sales" se comportent différemment: à l'état normal, ce sont des diélectriques faibles et, lorsqu'ils sont refroidis, conduisent le courant de pire en pire, mais lorsqu'ils atteignent une température critique, ils se transforment soudainement en supraconducteurs. «Un supraconducteur et un diélectrique sont des états opposés dans leurs propriétés, c'est pourquoi il est surprenant que dans de telles substances, ils puissent se transformer l'un en l'autre», explique Feigelman. - Bien que les supraconducteurs «très sales» soient étudiés depuis 25 ans, une théorie à part entière,ce qui expliquerait toutes leurs bizarreries, n'est toujours pas présente."
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Ces dernières années, l'intérêt pour les supraconducteurs désordonnés a également augmenté en raison de l'émergence de nouveaux domaines dans lesquels ces substances sont très demandées. Par exemple, les supraconducteurs "très sales" sont idéaux pour isoler les bits quantiques supraconducteurs de toutes sortes d'interférences - les unités de calcul élémentaires d'un ordinateur quantique. Il est plus pratique de les isoler du monde extérieur en utilisant des éléments à très haute inductance. Il détermine la force du flux magnétique créé par le courant électrique circulant dans le système. L'inductance d'une substance est d'autant plus grande que la densité des éléments conducteurs qu'elle contient est faible, et ce paramètre diminue avec la croissance de la "saleté" dans les supraconducteurs.
