Een internationale groep wetenschappers, waaronder een onderzoeker van Skoltech, heeft een experimenteel en theoretisch onderzoek gedaan naar de eigenschappen van sterk ontregelde supergeleiders bij zeer lage temperaturen. Na een reeks experimenten, de wetenschappers ontwikkelden een theorie die de voorheen onverklaarbare anomalieën in supergeleiders effectief beschrijft. De resultaten van het onderzoek zijn gepubliceerd in Natuurfysica .

Het fenomeen supergeleiding werd in 1911 ontdekt door een groep wetenschappers onder leiding van de Nederlandse natuurkundige Heike Kamerlingh Onnes. Supergeleiding betekent het volledig verdwijnen van elektrische weerstand in een materiaal wanneer het wordt afgekoeld tot een bepaalde temperatuur, waardoor het magnetische veld uit het materiaal wordt gedwongen. Van bijzonder belang voor wetenschappers zijn sterk wanordelijke supergeleiders waarvan de atomen geen kristalroosters vormen. Vanuit praktisch oogpunt, sterk wanordelijke supergeleiders hebben een groot potentieel voor de ontwikkeling van kwantumcomputers.

Bij zeer lage temperaturen, supergeleiders vertonen een anomalie die niet kan worden verklaard in termen van de klassieke theorie van supergeleiding. Deze anomalie betreft de temperatuurafhankelijkheid van het maximale magnetische veld die nog steeds consistent is met het supergeleidende gedrag van het materiaal. Dit maximale veld, ook wel het "bovenste kritische" veld genoemd, neemt altijd toe naarmate de monstertemperatuur daalt, terwijl in reguliere supergeleiders, het stopt bijna met groeien bij temperaturen die meerdere keren lager zijn dan de supergeleidende overgangstemperatuur. Bijvoorbeeld, in het geval van in dit onderzoek gebruikte amorfe indiumoxidefilms die supergeleidend worden bij 3 K (-270 ^O C), men zou verwachten dat het kritische magnetische veld stopt met groeien bij temperaturen onder 0,5 K. Echter, het experiment geeft aan dat het kritische veld blijft groeien, zelfs als de temperatuur daalt tot de laagst mogelijke waarden (ongeveer 0,05 K in dit experiment), en de groei vertoont geen tekenen van verzadiging.

Wetenschappers van Skoltech, Landau Instituut voor Theoretische Fysica, Institut Néel (Frankrijk), Weizmann Institute of Science (Israël) en de University of Utah (VS) hebben aangetoond dat de anomalie wordt veroorzaakt door thermische fluctuaties van quantum Abrikosov-wervels. Het magnetische veld dat doordringt in de ongeordende supergeleider heeft de vorm van wervels, d.w.z. buizen, elk draagt ​​magnetische flux gelijk aan de fundamentele waarde hc/2e, waarbij h de plankconstante is, c is de snelheid van het licht, en e is de elektronenlading.

Op het absolute nulpunt, deze wervels zijn onbeweeglijk en stevig bevestigd aan de atoomstructuur, terwijl elke temperatuur die niet nul is, leidt tot schommelingen van de vortexbuizen rond thuisbasissen. De sterkte van deze fluctuaties groeit met de temperatuur, en dit resulteert in een afname van het magnetische veld dat op een materiaal kan worden toegepast zonder de supergeleidende eigenschappen ervan te beïnvloeden.

"We hebben een theorie ontwikkeld over het effect van thermische fluctuaties van Abrikosov-wervelingen op de waarde van het bovenste kritische veld, die ons hielp om een ​​verband te leggen tussen twee verschillende soorten metingen, " zegt Michail Feigelman, hoofdonderzoeker bij Skoltech en plaatsvervangend directeur bij Landau Institute for Theoretical Physics.

Het verkrijgen van inzicht in het gedrag van sterk ongeordende supergeleiders is essentieel voor hun gebruik in supergeleidende kwantumbits - sleutelelementen van kwantumcomputers. Het werd een paar jaar geleden duidelijk dat meerdere toepassingen op dit gebied zeer kleine elementen met een hoge inductantie (elektrische traagheid) vereisen, en de sterk ongeordende supergeleiders zijn het beste geschikt voor dergelijke "superinductantie" -elementen. "Inzicht in het gedrag van deze materialen zal helpen bij het creëren van supergeleidende kwantumbits die sterk geïsoleerd zijn van externe ruis, ’ zegt Feigelman.