Сверхпроводимость cond-mat.supr-con

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.

В сердце сверхпроводника электроны сливаются в куперовские пары и движутся без сопротивления. Но если в этом идеальном порядке возникает вихрь — крошечная область, где сверхпроводимость исчезает, — там появляются особые возбуждения: боголюбовские квазичастицы.

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.

В фотометрии — области, занимающейся измерением света, — долгое время оставалась нерешённой задача регистрации одиночных микроволновых фотонов. Причина в том, что энергия такого кванта сопоставима с энергией теплового дрожания атомов, из-за чего сигнал тонет в шуме.

Измеренный дипольный момент тантала-181: 3,39 × 10⁻³² e·см — как заметить смещение на один атом в масштабе Солнечной системы. В типичном атомном ядре распределение заряда сферически симметрично, подобно идеально отцентрированному волчку.

В кристаллическую решётку алмаза можно внедрить миниатюрный сенсор. Если заменить один атом углерода на атом азота, а соседний узел решётки оставить пустым, образуется азотно-вакансионный центр — дефект, который обладает спиновыми состояниями, чувствительными к внешнему магнитному полю, и способен излучать свет в ответ на его изменения.

Вещество можно представить как дом. В одних комнатах царит строгий кристаллический порядок — каждый атом на своём месте, словно мебель по линеечке. В других — хаос сверхтекучего гелия, где атомы теряют память о соседях и текут без трения.

Всё вещество, от звёзд до человека, сложено из частиц, которые в Стандартной модели — наиболее полной теории элементарных частиц и их взаимодействий делятся на два семейства: фермионы (кирпичики материи) и бозоны (переносчики сил).

В обычных проводах электроны движутся хаотично, сталкиваясь друг с другом и с атомами решётки, — это порождает электрическое сопротивление, превращая часть энергии в тепло.

Квантовый компьютер подобен изысканному блюду: существуют рецепты для обычной кухни, но особые квантовые состояния — секретные ингредиенты, превращающие блюдо в шедевр. Один из таких ингредиентов — «магия». Этот термин ввёл Джон Прескилл в 2018 году.

В 1930-х годах Фриц Цвики, наблюдая за скоплением Волос Вероники, обратил внимание на аномально высокие скорости галактик: их движение указывало на присутствие огромной скрытой массы, гравитационно связывающей систему.

Сверхпроводящий контур — это аналог качелей без трения, достижимый лишь при экстремальном холоде: температурах жидкого гелия (–273 °C), близких к абсолютному нулю. В таких условиях электрический ток, однажды запущенный, циркулирует без затухания, сохраняя строгий ритм — частоту колебаний.

В кристалле TiSe2 электроны ведут себя как стрелки компаса, которые вдруг начинают указывать в одну сторону. Это называется нематическим состоянием — по аналогии с жидкими кристаллами, где молекулы выстраиваются вдоль общего направления, хотя сам материал остаётся жидким.

Графен — это лист углерода толщиной в один атом. Если сложить его особым узором, получится новый материал — гроукен. Его нашёл не человек, а искусственный интеллект: большая языковая модель перебрала варианты и предложила именно такую решётку. Расчёты показали: гроукен должен проводить электричество без сопротивления уже при 52°C.

Тонкий лист углерода, похожий на ажурную сетку из треугольников, шестиугольников и восьмиугольников, лежит на подложке. Сам по себе он не сверхпроводит: электроны движутся в нём как попало, натыкаясь на атомы. Но стоит равномерно растянуть этот лист — как натягивают холст на подрамник, — и картина меняется.

Кристалл сверхпроводника сжимают в маленькой ячейке — как будто зажимают его в тиски, но с водой, чтобы давление распределялось равномерно. Давление до 1,08 ГПа (это примерно в сто раз больше, чем в автомобильной шине) почти не меняет температуру, при которой материал теряет сопротивление.

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.

При температуре 4,3 градуса выше абсолютного нуля кристалл теллурида палладия перестает сопротивляться электрическому току. Электроны в нем объединяются в пары и движутся без потерь, как толпа, взявшаяся за руки. Но у этого сверхпроводника, похоже, не один, а два разных способа объединяться. Физики прижали к кристаллу тонкую иглу и измеряли, как ток проходит через контакт.

Квантовый компьютер похож на оркестр, который играет только в полной тишине. Малейший шум — и хрупкая мелодия рассыпается. Для квантовых устройств таким шумом становится тепло: даже слабое инфракрасное излучение от соседних деталей нагревает кубиты и стирает их квантовые состояния.

Обычная компьютерная память всё время тратит энергию, чтобы не забыть записанное. Сверхпроводник мог бы хранить данные без потерь, но его трудно заставить переключаться. В новой работе сверхпроводник зажат между двумя магнитными изоляторами. Магнитные слои действуют как два магнита: если их полюса смотрят в одну сторону, сверхпроводимость включена; если в разные — выключена.

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.

Пустое пространство никогда не бывает по-настоящему пустым. Оно кипит крошечными флуктуациями энергии — словно податливая глина в руках скульптора.

Обычный магнитный компас замирает, когда рядом бьёт молния. Резкий скачок магнитного поля сбивает стрелку с толку. Похожая проблема мешала учёным измерять магнетизм материалов в сильных импульсных полях — таких, что включаются на тысячную долю секунды. Новая установка решает эту задачу с помощью лазерного луча.

Лазерный луч, как тонкий резец, выжигает кислород из сверхпроводящей плёнки. Там, где кислорода становится меньше, материал перестаёт проводить ток без сопротивления. Учёные использовали этот приём, чтобы рисовать на плёнке узоры, меняющие её свойства. Сверхпроводник — это материал, который при низкой температуре проводит электричество без потерь.

Магнитное поле невидимо, но его можно заставить «светиться». Для этого берут крошечный алмаз с дефектами — местами, где атом углерода заменён азотом, а рядом пустует узел решётки. Такие дефекты, как чувствительные стрелки компаса, реагируют на малейшие изменения магнитного поля и испускают свет разной яркости.

В материале NaAlSi при охлаждении электроны формируют мимолётную рябь — полосы, которые возникают и исчезают, словно узор на воде от порыва ветра. Эта рябь переплетается со сверхпроводимостью — квантовым состоянием, в котором электрический ток течёт без сопротивления.

Электроны в металле похожи на толпу в метро: каждый сам по себе, но при малейшем толчке все разом приходят в движение. Такое коллективное колебание электронного газа физики называют плазмоном. В сверхпроводниках эти колебания особенно важны, ведь они показывают, как электроны взаимодействуют друг с другом.

Сверхпроводник похож на город, где электроны перестают толкаться и начинают двигаться парами, как люди, идущие рука об руку. В никелате неодима-стронция (Nd₀.₈Sr₀.₂NiO₂) этот «парад» возникает при температуре около 10 кельвинов (минус 263 градуса Цельсия), но не везде одинаково.

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.

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 NbSe2 похож на стопку бумаги: слои лежат плотно, и их свойства сливаются. Химики нашли способ раздвинуть эту стопку почти вдвое — между слоями вставили длинные органические молекулы, как прокладки. Теперь каждый слой ведёт себя так, будто он один-одинёшенек, толщиной в один атом.

Сверхпроводящий детектор одиночных фотонов похож на струну, натянутую в темноте. Когда на неё попадает один-единственный фотон, струна на мгновение теряет сверхпроводимость — и мы слышим щелчок. Но до сих пор струна всегда была расстроена: детектор работал хуже, чем позволял материал.

Сверхпроводники — это материалы, которые проводят электричество без потерь, но обычно их свойства фиксированы. В новой работе учёные сделали устройство, похожее на перекрёсток двух сверхпроводящих дорожек. Подавая слабое магнитное поле перпендикулярно этому перекрёстку, они смогли изменить силу тока, который устройство может пропустить, в четыре раза.

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.

Обычный сверхпроводник работает только в морозильной камере природы — при температурах ниже минус ста градусов. Материал из углеродных шариков K₃C₆₀ не исключение: без холода он сопротивляется току, как толпа в узком коридоре. Но физики заметили странную вещь: если посветить на него лазером, он начинает проводить ток без потерь даже в тепле.

Сверхпроводник — это материал, где электрический ток течёт без потерь, как вода по идеально гладкой трубе. Но если в нём возникают вихри, ток начинает «спотыкаться» об эти крошечные завихрения. В графене, скрученном под особым углом, такие вихри можно создавать и изучать по одному. Учёные собрали устройство, похожее на узкий мостик между двумя сверхпроводящими берегами.

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.

Обычный выключатель щёлкает — и ток либо идёт, либо нет. А теперь материал, который сам переключается между «проводит без потерь» и «сопротивляется» под действием магнита. Именно такой бутерброд собрали физики: тонкая плёнка свинца лежит на сверхпроводнике из висмута, стронция, кальция, меди и кислорода. Между слоями сам собой вырос тончайший слой оксида свинца — изолятор.

Сверхпроводящий кубит — это крошечная электрическая цепь, которая ведёт себя как искусственный атом. В обычном состоянии через неё течёт ток без сопротивления, и энергетические уровни расположены ровно, как ступеньки лестницы. Но если в цепи застревает один-единственный электрон, всё меняется.

В кристаллической решётке селенида железа атомы железа и селена чередуются, как кирпичи в кладке. Но иногда в пустоты между ними забираются лишние атомы железа — как непрошеные гости, которые втискиваются в щели между кирпичами. Всего 3% таких «гостей» — и сверхпроводимость исчезает: материал перестаёт проводить ток без сопротивления.