магнитная сверхпроводимость

Два танцора на одной сцене: один тянет партнёра в одну сторону, другой — в противоположную. В кристалле Cu2(OH)3Br, известном как боталлакит, атомы меди выстраиваются в цепочки, где спины (магнитные моменты) соседних ионов то выстраиваются параллельно, как в ферромагнетике, то антипараллельно, как в антиферромагнетике.

Сверхпроводник напоминает оркестр, который играет без единой фальшивой ноты, пока дирижёр не повернёт ручку настройки. В новой работе такой ручкой оказалась магнитная история никелевых контактов. Учёные создали сверхпроводящие микромембраны из оксидов LaAlO3 и SrTiO3, где на границе двух материалов возникает тонкий слой свободных электронов — двумерный электронный газ.

Сверхпроводник выталкивает магнитное поле, как губка выжимает воду. Этот эффект Мейсснера известен почти век, но обычно его рассматривают в плоском пространстве-времени — без учёта гравитации. В сильном гравитационном поле, например, вблизи чёрной дыры, или при релятивистских скоростях картина меняется.

Тонкая плёнка особого кристалла — например, дисульфида молибдена — лежит на предметном столике. Температура чуть выше той, при которой материал становится сверхпроводником.

Рой светлячков почти не сталкивается, но синхронно меняет цвет, обмениваясь сигналами. Так ведут себя нейтрино в плотных потоках от коллапсирующих звёзд: они коллективно превращаются из одного типа в другой, хотя поодиночке взаимодействуют крайне слабо.

Сверхпроводник похож на идеальный хоровод электронов: они движутся парами, не теряя энергии, словно танцоры, которые никогда не сбиваются с ритма. Но стоит добавить немного магнитных примесей — и в хоровод врезаются посторонние, мешая синхронному движению. Температура, при которой начинается этот танец, падает.

Танцевальная площадка полна пар, кружащихся в вальсе. Обычно партнёры движутся в противоположных направлениях: один делает шаг вперёд, другой — назад, чтобы сохранить общий ритм.

Обычные магнитные измерения видят только поверхность сверхпроводника, где мешают барьеры и вязкие потоки магнитного поля. Внутри же, в так называемом промежуточном состоянии, сосуществуют сверхпроводящие и нормальные домены, разделённые тонкими стенками. Эти стенки могут колебаться, но услышать их напрямую было трудно.

Два сверхпроводящих берега соединяет мост из магнитного материала. Внутри моста — доменная стенка: узкая граница, где намагниченность разворачивается, как строй солдат, меняющий направление шага. Ток, текущий через такой мост, ведёт себя не как спокойная река, а как поток, огибающий препятствие: он закручивается в петли и меняет силу.

В крошечной магнитной точке, размером меньше микрона, живёт вихрь — намагниченность закручена, как вода в воронке. В центре этой воронки — сердцевина, которая сама вращается по маленькой орбите, будто юла, которую подтолкнули. Если на такую точку направить микроволновый сигнал, вихрь откликнется колебаниями на одной частоте — как струна, задетая смычком.

Один электрон в магнитном поле — как крошечный волчок, который крутится и слабо «пищит» на своей частоте. Услышать этот писк напрямую почти невозможно: он тонет в шуме. Учёные придумали резонатор — сверхпроводящую микроволновую полоску, которая работает как камертон, настроенный на ту же ноту.

Крошечный сверхпроводник, парящий над магнитом благодаря эффекту Мейснера, — это пробка на поверхности невидимого океана. Малейшее дуновение тёмной материи — гипотетической формы материи, не испускающей электромагнитного излучения — заставляет его вздрагивать. Учёные рассмотрели два вида такого «ветра».

В кристалле из европия, цинка и фосфора ток ведёт себя как машина на ухабистой дороге. Электроны не бегут свободно, а тащат за собой магнитные облачка — поляроны. При комнатной температуре эти облачка разрознены, но при охлаждении сливаются в сплошную массу, из-за чего ток резко замедляется.

Обычный сверхпроводник выталкивает магнитное поле, а это кольцо, наоборот, создаёт его внутри себя. Кольцо сделано из материала Fe(Te,Se) — соединения железа, теллура и селена, которое при очень низкой температуре теряет электрическое сопротивление.

Полупроводниковая плёнка толщиной в один атом — это аналог тонко натянутой мембраны. Под воздействием света она вспыхивает: в ней рождаются экситоны — связанные состояния электрона и дырки, которые ведут себя как светящиеся точки и быстро рекомбинируют, то есть гаснут.

Обычный сверхпроводник при охлаждении теряет сопротивление, и ток в нём течёт без потерь. Но в сверхтонких плёнках всё иначе: материал колеблется между обычным и сверхпроводящим состоянием, и в этом промежутке возникают странные волны сопротивления. Сопротивление то растёт, то падает, как будто кто-то поворачивает ручку громкости.

Кристалл CeRh₂As₂ ведёт себя как переключатель: охладите его — и он станет сверхпроводником, а потом поднесите магнит — и он скачком перейдёт в другое сверхпроводящее состояние. Такое поведение редкость: большинство сверхпроводников имеют лишь одно состояние, а тут их два, разделённые резкой границей.

Тонкая сверхпроводящая проволока, охлаждённая почти до абсолютного нуля, способна почувствовать одиночную частицу света. Такие детекторы незаменимы в квантовых вычислениях и защищённой связи, но их характер портит беспорядок — случайные неровности и примеси, которые невозможно убрать полностью. Физики решили не бороться с беспорядком, а приручить его.

Нанопровод похож на крошечный кабель: внутри — магнитный сердечник, снаружи — алюминиевая оболочка, которая может проводить ток без сопротивления. Но ужиться им непросто: сильное магнитное поле разрушает сверхпроводимость, как шум заглушает тихую мелодию. В этой работе нанопровод из арсенида индия покрывали слоем магнитного соединения европия и серы, а сверху — алюминием.

Классическая теория сверхпроводимости БКШ, разработанная Джоном Бардином, Леоном Купером и Робертом Шриффером, описывает механизм, при котором электроны объединяются в куперовские пары и движутся без сопротивления.

Кристалл RbMn6Bi5 похож на пятиэтажку из атомов марганца, где жильцы на каждом этаже образуют пятиугольник. При комнатной температуре магнитные моменты атомов хаотично колеблются, как стрелки компасов в магнитную бурю. Но стоит охладить кристалл ниже определённой температуры, и стрелки внезапно замирают в строгом порядке.

В обычном сверхпроводнике электроны объединяются в пары, которые стоят на месте — их общий импульс равен нулю. Но бывает иначе: пары получают общий импульс и начинают двигаться, как стайка рыб, плывущая против течения. Такое состояние называют волной пар, и оно очень капризное — нужны особые условия.

В кристалле La₂₋ₓSrₓCuO₄ при определённом составе одновременно существуют два состояния: сверхпроводимость, когда электроны движутся без потерь, и волна заряда — периодическое сгущение электронной плотности. Эти состояния конкурируют за одни и те же электронные облака, похожие на лепестки в форме креста.

Пропустите ток через контакт сверхпроводника с ферромагнетиком, и вы услышите шёпот квантового мира. В лаборатории при 0,3 К этот шёпот превратился в рёв: дробовой шум — электрический шум из-за дискретности заряда — оказался в сто раз громче, чем допускает теория для обычных контактов.

Магнитное поле в 8 тесла — это в 200 раз сильнее поля Земли. При таком поле сверхпроводимость в тонкой плёнке дителлурида палладия не просто выживает, а держится до температуры 20 милликельвинов, что в сто раз холоднее космического пространства. Для сравнения: у толстой плёнки того же материала критическое поле в 80 раз меньше. Секрет — в толщине.