Вихри позволят сохранить сверхпроводимость даже в сильных магнитных полях

Исследователи из России (Институт физики полупроводников им. А. В. Ржанова), Испании (Мадридский автономный университет), Великобритании (Бристольский университет), Бельгии (Межуниверситетский центр микроэлектроники) и США (Аргоннская национальная лаборатория; учёные двух последних стран имеют российское происхождение) заявили о достижении, способном принципиально изменить картину прикладного использования сверхпроводников.

Сверхпроводники, стоящие за МРТ, левитирующими поездами и многим другим, могли бы сделать нашу жизнь совсем другой, если бы не две проблемы. Во-первых, их нужно охлаждать до температуры жидкого водорода.

Дырки в сверхпроводящей плёнке обозначены белым. Сразу вокруг них идёт полностью сверхпроводящая даже в сильных магнитных полях зона, окрашенная зелёным. (Здесь и ниже иллюстрации ANL.)

А во-вторых, не меньшей сложностью остаётся магнитное поле, которое при достижении определённого значения моментально ликвидирует явление сверхпроводимости. И лишь после его устранения можно попытаться заставить сверхпроводник вновь функционировать как таковой. Уже некоторое время известно, что не все сверхпроводники ведут себя одинаково в таких магнитных полях. Так, в сверхпроводниках второго типа (а это Нобелевская премия Абрикосова) при приложении магнитного поля сначала формируются устойчивые магнитные микровихри, при этом само явление сверхпроводимости не исчезает. Лишь после дальнейшего значительного наращивания магнитного поля вихри начинают двигаться, взаимодействовать, и сверхпроводимость наконец-то пропадает.

«Эти вихри рассеивают энергию, двигаясь при наличии тока, и хоронят все надежды на техническую революцию, если только мы не найдём способ обездвижить их», — поясняет Валерий Винокур из Аргоннской национальной лаборатории (США). Поиски таких способов ведутся не первое десятилетие. Однако до сих пор результаты были смешанными. Да, вихри удавалось «пришпилить» к одному месту, но это работало только при относительно низких температурах и магнитных полях. Теперь же г-ну Винокуру с коллегами удалось обнаружить нечто, ранее не замечавшееся.

Используя сверхпроводящие нити диаметром в 50 нм (в две тысячи раз тоньше листа бумаги), физики выяснили, что в таком практически одномерном проводнике может поместиться лишь один ряд магнитных вихрей, блокирующих друг друга и неспособных, таким образом, передвигаться и разрушать сверхпроводящее состояние.

В почти одномерном (50 нм в диаметре) сверхпроводнике второго типа вихри просто блокируют друг друга, а потому не способны подавлять сверхпроводимость.

После увеличения прилагаемого к материалу магнитного поля вихри собрались в один длинный ряд и перестали двигаться вовсе.

Далее экспериментаторы создали сверхпроводящую плёнку в форме рядов дырок, так что только некоторые вихри могли протиснуться между дырками, но при этом не могли взаимодействовать с остальными, блокируя сверхпроводимость. В итоге удалось добиться сохранения сверхпроводящего состояния при таких магнитных полях и температурах, о которых прежде даже не мечталось. Способность организовать такие процессы не только в нановолокнах, но и на плёнках, которые проще производить, означает возможность широкомасштабного производства образцов с высокой устойчивостью к магнитным полям.

Пока исследователи экспериментировали только с низкотемпературными сверхпроводниками, однако, по их словам, нет никаких причин, по которым такой же подход не сработал бы и для их высокотемпературных аналогов.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Nature Communications..

Подготовлено по материалам Аргоннской национальной лаборатории.