Вихри в сверхпроводнике: твёрдые и жидкие экспресс
В сверхпроводнике электрический ток течёт без потерь, как вода по идеально гладкой трубе. Но если поместить такой материал в магнитное поле, внутри появляются вихри — крошечные воронки, в которых сверхпроводимость разрушена. Пока эти воронки стоят на месте, ток идёт свободно. Стоит им сдвинуться — возникает сопротивление, и энергия начинает тратиться впустую.
Квантовая механика говорит, что при низкой температуре вихри выстраиваются в ровную решётку, как солдаты в строю. При нагревании этот строй может «расплавиться»: вихри начинают дрожать и перемещаться, образуя жидкость. Раньше считалось, что такое плавление происходит только вблизи критической температуры, когда сверхпроводимость вот-вот исчезнет. Но группа учёных под руководством Йозефа Лензе заглянула внутрь материала с помощью сканирующего туннельного микроскопа — прибора, который чувствует отдельные вихри, как пальцы чувствуют неровности на столе.
Они изучали сверхпроводник CaKAs$_4$Fe$_4$ с критической температурой около 35 кельвинов (минус 238 градусов Цельсия). При температуре всего 18 кельвинов — вдвое ниже критической — в некоторых местах образца вихри уже не стояли строем, а беспорядочно метались, как толпа на вокзале. Эти «жидкие капли» соседствовали с участками, где вихри оставались неподвижными, как вкопанные.
Это открытие меняет представление о том, как сверхпроводники ведут себя в реальных условиях. Даже при умеренном охлаждении в материале могут возникать зоны, где сопротивление уже не нулевое. Для техники это важно: провода из сверхпроводников, магниты в томографах или ускорителях частиц могут греться локально, даже если в среднем температура кажется безопасной.
Теперь, зная о «жидких каплях», инженеры смогут искать способы удерживать вихри на месте — например, добавляя в материал дефекты, которые работают как якоря. Тогда сверхпроводник останется идеальным проводником в более широком диапазоне условий.
Оригинальная аннотация
как её написали авторы, на английском arXiv:2601.18247
Type-II superconductors under magnetic fields are in a quantum coherent non-dissipative state as long as vortices remain pinned. Dissipation appears when vortices depin, eventually driven by thermal fluctuations. This can be associated to a melting transition between a vortex solid and a vortex liquid. This transition is almost always observed very close to T$$_c$$ when probed by macroscopic experiments. However, it remains unclear how the vortex solid responds to thermal fluctuations at the scale of individual vortices far from the melting transition. Here we use scanning tunneling microscopy (STM) to visualize vortices in CaKAs$$_4$$Fe$$_4$$ (T$$_c \approx$$ 35 K). We find vortex liquid droplets-localized regions in space where vortices strongly fluctuate due to thermal exctiation-at temperatures as low as 0.5\,T$$_c$$. Our results show that the onset of dissipation at the local scale occurs at temperatures considerably below T$$_c$$ in type-II superconductors.
Сканирующий туннельный микроскоп чувствует вихри не светом, а электрическим током, который протекает между острой иглой и поверхностью. Игла настолько тонкая, что на её кончике помещается всего несколько атомов.
В романе Артура Кларка «Фонтаны рая» сверхпроводящий кабель удерживает космический лифт — но если вихри «расплавятся», кабель потеряет идеальную проводимость и лифт рухнет.