Επιστήμονες εξηγούν την ανωμαλία των χαμηλών θερμοκρασιών στους υπεραγωγούς

Μια διεθνής ομάδα επιστημόνων, συμπεριλαμβανομένου ενός ερευνητή από το ινστιτούτο Skoltech, έχουν ολοκληρώσει μια πειραματική και θεωρητική μελέτη των ιδιοτήτων που εμφανίζονται από ισχυρά διαταραγμένους υπεραγωγούς σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες. Μετά από μια σειρά πειραμάτων, οι επιστήμονες ανέπτυξαν μια θεωρία που περιγράφει αποτελεσματικά τις προηγούμενες ανεξήγητες ανωμαλίες που συναντούσαν οι υπεραγωγοί. Τα αποτελέσματα της μελέτης δημοσιεύθηκαν στο Nature Physics.

Το φαινόμενο της υπεραγωγιμότητας ανακαλύφθηκε το 1911 από μια ομάδα επιστημόνων με επικεφαλής τον ολλανδό φυσικό Χάικε Κάμερλιν Όνες. Η υπεραγωγιμότητα σημαίνει πλήρη εξαφάνιση της ηλεκτρικής αντίστασης σε ένα υλικό όταν ψύχεται σε μια συγκεκριμένη θερμοκρασία, με αποτέλεσμα το μαγνητικό πεδίο να εξαφανίζεται από το υλικό.

Επιίσης, ιδιαίτερο ενδιαφέρον για τους επιστήμονες παρουσιάζουν οι έντονα διαταραγμένοι υπεραγωγοί των οποίων τα άτομα δεν σχηματίζουν κρυστάλλινα πλέγματα. Από πρακτικής άποψης, οι ισχυρά διαταραγμένοι υπεραγωγοί παρουσιάζουν σπουδαίες δυνατότητες ανάπτυξης στους κβαντικούς υπολογιστές.

Σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες, οι υπεραγωγοί παρουσιάζουν μια ανωμαλία που δεν μπορεί να εξηγηθεί από την άποψη της κλασσικής θεωρίας της υπεραγωγιμότητας. Αυτή η ανωμαλία αφορά την εξάρτηση από τη θερμοκρασία του μέγιστου μαγνητικού πεδίου που εξακολουθεί να είναι σύμφωνη με την υπεραγώγιμη συμπεριφορά του υλικού. Αυτό το μέγιστο πεδίο, που επίσης αναφέρεται κρίσιμο εφαρμοζόμενο μαγνητικό πεδίο, αυξάνεται πάντα καθώς η θερμοκρασία του δείγματος μειώνεται, ενώ στους τακτικούς υπεραγωγούς σχεδόν σταματά να αναπτύσσεται σε θερμοκρασίες αρκετές φορές χαμηλότερες από την υπεραγωγική θερμοκρασία μετάβασης.

Για παράδειγμα, στην περίπτωση ταινιών άμορφου οξειδίου του ινδίου (αγγλικά: amorphous indium oxide) που χρησιμοποιούνται σε αυτή τη μελέτη που γίνονται υπεραγώγιμα στα 3 K (-270 oC), θα περίμενε κανείς ότι το κρίσιμο εφαρμοζόμενο μαγνητικό πεδίο θα σταματούσε να αναπτύσσεται σε θερμοκρασίες κάτω από 0,5 K. Ωστόσο, το πείραμα δείχνει ότι το κρίσιμο εφαρμοζόμενο μαγνητικό πεδίο συνεχίζει να αυξάνεται ακόμα και όταν η θερμοκρασία πέφτει στις χαμηλότερες δυνατές τιμές (περίπου 0,05 Κ σε αυτό το πείραμα) η ανάπτυξή του δεν παρουσιάζει σημεία κορεσμού.

Οι επιστήμονες από το Skoltech, το Landau Institute for Theoretical Physics,, το Institut Néel (Γαλλία), το Weizmann Institute of Science (Ισραήλ) και το Πανεπιστήμιο της Γιούτα (ΗΠΑ) απέδειξαν ότι η ανωμαλία προκαλείται από τις θερμικές διακυμάνσεις των κβαντικών στροβίλων Abrikosov. Το μαγνητικό πεδίο που διεισδύει στο διαταραγμένο υπεραγωγό έχει τη μορφή στροβίλων, δηλαδή σωλήνων, κάθε ένα από τα οποία φέρει μαγνητική ροή ίση με τη θεμελιώδη τιμή hc/2e, όπου h είναι η σταθερά Plank, c είναι η ταχύτητα φωτός και το e είναι το electron charge.

Σε απόλυτο μηδέν, αυτές οι δίνες είναι ακίνητες και άκαμπτα συνδεδεμένες με τη δομή του ατόμου, ενώ οποιαδήποτε μη-ζέστη θερμοκρασία οδηγεί σε διακυμάνσεις των στροβίλων γύρω από τις βάσεις. Η ισχύς αυτών των διακυμάνσεων αυξάνεται με τη θερμοκρασία και αυτό οδηγεί σε μείωση του μαγνητικού πεδίου που μπορεί να εφαρμοστεί σε ένα υλικό χωρίς να επηρεάσει τις υπεραγώγιμες ιδιότητές του.

«Έχουμε αναπτύξει μια θεωρία της επίδρασης των θερμικών διακυμάνσεων των στροβίλων Abrikosov στην τιμή του ανώτερου κρίσιμου εφαρμοζόμενου μαγνητικόού πεδίου, που μας βοήθησε να δημιουργήσουμε μια σχέση μεταξύ δύο διαφορετικών τύπων μετρήσεων», ανέφερε ο Mikhail Feigelman, κύριος ερευνητής από το Skoltech.

«Η απόκτηση γνώσης σχετικά με τη συμπεριφορά των ισχυρά διαταραγμένων υπεραγωγών είναι απαραίτητη για τη χρήση τους σε υπεραγώγιμα qubit, δηλαδή τα βασικά στοιχεία των κβαντικών υπολογιστών. Πριν από μερικά χρόνια κατέστη προφανές ότι πολλαπλές εφαρμογές σε αυτό το πεδίο απαιτούν πολύ μικρά στοιχεία με υψηλή αυτεπαγωγή (ηλεκτρική αδράνεια) και οι έντονα διαταραγμένοι υπεραγωγοί είναι οι πλέον κατάλληλοι για τέτοια στοιχεία “υπερ-επαγωγής”.

«Η κατανόηση της συμπεριφοράς αυτών των υλικών θα βοηθήσει στη δημιουργία υπεραγώγιμων κβαντικών δυαδικών ψηφίων πολύ απομονωμένων από external noise», επισήμανε ο Feigelman.