Исследование показывает, что слабые магнитные поля — намного более слабые, чем те, которые обычно прерывают сверхпроводимость — могут взаимодействовать с дефектами в материале, создавая «случайное калибровочное поле», своего рода квантовую полосу препятствий, которая создает сопротивление для сверхпроводящих электронов.«Мы нарушаем сверхпроводимость, чего раньше не делали люди», — сказал Джим Валлес, профессор физики Брауна, руководивший работой. «Такой тип фазового перехода с участием случайного калибровочного поля был предсказан теоретически, но это первый раз, когда он был продемонстрирован в эксперименте».Исследование опубликовано в журнале Scientific Reports.Сверхпроводящее состояние зависит от образования и распространения «куперовских пар», связанных электронов, которые при очень низких температурах ведут себя больше как волны, чем частицы.
Их волнообразное свойство позволяет им перемещаться по структуре материала, не сталкиваясь на пути с атомными ядрами, уменьшая сопротивление, с которым они сталкиваются, до нуля. Пары Купера названы в честь Леона Купера, физика из Университета Брауна, получившего в 1972 году Нобелевскую премию по физике за объяснение их поведения.Связи между парными электронами не особенно сильны.
Небольшое повышение температуры или наличие магнитного поля с напряженностью выше критического значения (значение немного различается для разных материалов) может разрушить пары, что, в свою очередь, нарушит сверхпроводящее состояние.Но Валлес и его коллеги исследовали другой метод разрушения сверхпроводимости. Вместо того, чтобы разбивать пары Купера на части, команда Валлеса хотела посмотреть, могут ли они нарушить способ распространения пар.
Когда материал является сверхпроводящим, куперовские пары распространяются «синфазно», что означает, что пики и впадины их квантовых волн коррелированы. Выбивание волн в противофазе сделало бы их неспособными распространяться таким образом, чтобы поддерживать сверхпроводящее состояние, тем самым превращая материал в изолятор.Чтобы продемонстрировать это явление, Валлес и его коллеги создали небольшие сверхпроводящие чипы из аморфного висмута.
Чипы были сделаны с отверстиями нанометрового размера, расположенными в беспорядочно повторяющемся сотовом узоре. Затем команда приложила к чипам слабое магнитное поле. В нормальных условиях сверхпроводник отталкивает любое магнитное поле ниже критического значения и сразу становится сверхпроводником. Но дефекты висмута заставляли материал особым образом отражать магнитное поле, образуя крошечные вихри электрического тока, окружающие каждое отверстие.
Для сверхпроводящих куперовских пар эти вихри образуют квантовую полосу препятствий, которую слишком сложно преодолеть. Текущие вихри толкают и тянут волновые фронты проходящих куперовских пар в случайном порядке, выбивая волны в противофазе друг с другом.
«Мы нарушаем когерентное движение волновых фронтов», — сказал Валлес. «В результате куперовские пары становятся локализованными — неспособными распространяться — и система переходит от сверхпроводимости к изолирующей».Исследование может помочь ученым понять фундаментальные свойства сверхпроводящих материалов — в частности, как дефекты в этих материалах могут нарушать сверхпроводимость в определенных ситуациях. Понимание того, как эти материалы ведут себя, будет важно по мере их увеличения в приложениях, таких как квантовые компьютеры, которые будут полагаться на согласованные сверхпроводящие состояния.
«В технологиях мы пытаемся получить все больше и больше от квантовых свойств материалов, но все эти материалы содержат грязные примеси», — сказал Валлес. «Мы показали эффекты определенного вида квантовой случайности в сверхпроводнике, который управляется магнитным полем и случайными дефектами. Так что эта работа может быть интересна для понимания того, какие ограничения существуют при использовании квантовых свойств материалов».
Валлес надеется, что результаты и методика, описанные в статье, приведут к другим фундаментальным достижениям.«Мы можем настроить этот фазовращатель четко определенным способом, который легко моделируется, что может позволить нам немного лучше понять квантовые фазовые переходы», — сказал Валлес. «В каком-то смысле мы создали новую ручку, которую мы можем повернуть, чтобы повлиять на свойства этих материалов и посмотреть, как они реагируют».