Физики МИЭМ ВШЭ совместно с международными коллегами исследовали характеристики сверхпроводимости и разработали метод повышения ее стабильности в материалах с дефектами. Их исследования показали, что при упорядоченном распределении дефектов внутри материала сверхпроводимость проявляется при более высоких температурах и распространяется на весь объем. Полученные результаты могут способствовать созданию сверхпроводников, не требующих экстремального охлаждения. Исследование опубликовано в журнале Physical Review B.
Сверхпроводимость представляет собой состояние, характеризующееся протеканием электрического тока через материал без каких-либо энергетических потерь. В отличие от обычных проводников, где часть энергии рассеивается в виде тепла, в сверхпроводниках ток движется без сопротивления и не ослабевает. На практике сверхпроводники уже используются, например, в магнитно-резонансной томографии, где сверхпроводящие катушки служат для генерации мощных магнитных полей. В дальнейшем они могут найти применение в системах, требующих передачи энергии без потерь и оперативной обработки сигналов. Однако, значительным препятствием является то, что большинство сверхпроводников функционируют только при температурах, значительно ниже −140 °C, что сужает область их практического использования. Поэтому физики разрабатывают методы повышения рабочей температуры для обеспечения большей стабильности и расширения возможностей применения сверхпроводников.
Сотрудники Центра квантовых метаматериалов МИЭМ ВШЭ в соавторстве с учеными из МИФИ, МФТИ и Федерального университета штата Пернамбуку (Бразилия) продемонстрировали, что устойчивость сверхпроводимости можно повысить, контролируя расположение дефектов. Дефекты представляют собой отклонения от идеальной кристаллической структуры материала, такие как избыточные или отсутствующие атомы, примеси и искажения. Как правило, они препятствуют движению электронов и снижают сверхпроводимость, однако полностью исключить их сложно, особенно в материалах, состоящих из нескольких компонентов. Вместо удаления дефектов, исследователи предложили упорядочить их расположение. Это специфическое распределение дефектов получило название коррелированный беспорядок.
«Представьте себе толпу людей, беспорядочно двигающихся в разных направлениях – это типичный хаос. А теперь представьте, что те же люди двигаются по сложной, но согласованной схеме, подобно участникам массового танца – это и есть коррелированный хаос. Как выяснилось, в сверхпроводниках такой беспорядок приводит к тому, что дефекты начинают поддерживать сверхпроводимость», — рассказал Алексей Вагов, профессор Московского института электроники и математики имени А.Н. Тихонова.
В материалах с дефектами сверхпроводимость обычно проявляется в два этапа. Изначально формируются локальные области, где только начинается сверхпроводимость, после чего, при снижении температуры, они объединяются, позволяя току протекать через весь образец. Для изучения этого процесса ученые провели моделирование двумерного сверхпроводника с различным распределением дефектов — от случайного до коррелированного, в котором примеси связаны между собой. Полученные результаты продемонстрировали, что при упорядоченном распределении дефектов, переход к сверхпроводимости происходит мгновенно: она возникает одновременно по всей системе.
По мнению исследователей, полученные сведения могут пригодиться при создании тонких сверхпроводящих пленок, структура которых аналогична структуре, использованной в модели. При изготовлении таких пленок возможно контролируемое расположение дефектов, что удобно как для проверки теоретических представлений, так и для получения материалов с требуемыми характеристиками.
«Контроль над расположением дефектов на микроскопическом уровне открывает возможности для разработки сверхпроводников, способных функционировать при значительно более высоких температурах, вплоть до комнатной. В этом случае сверхпроводимость выйдет за рамки лабораторных исследований и станет доступна для использования в повседневных устройствах», — пояснил Алексей Вагов, профессор Московского института электроники и математики имени А.Н. Тихонова.
Данная работа осуществлена при финансовой поддержке гранта Минобрнауки 075-15-2025-010 и в рамках проекта «Центры превосходства», реализуемого Программой фундаментальных исследований НИУ ВШЭ».
Информация и фото предоставлены пресс-службой НИУ ВШЭ