Прорыв в физике: российские исследователи расшифровали математику сверхпроводимости

Физики из МИЭМ НИУ ВШЭ совместно с коллегами из МФТИ и других университетов сделали прорыв в изучении сверхпроводимости — явления, при котором материал проводит электрический ток без потерь энергии. Они разработали теорию, которая смогла объяснить переход между различными типами сверхпроводимости, выявив переходный режим с экзотическими магнитными свойствами. Это открытие может послужить основой для разработки сенсоров с большой чувствительностью и точностью, способных работать в условиях, в которых традиционные датчики менее эффективны. Исследование опубликовано в журнале Communications Physics.

Сверхпроводимость была открыта в начале ХХ века, но пока ее научились достигать только при низких температурах. Когда технический прогресс доберется до сверхпроводимости при комнатной температуре, человечество ждет революция в электронике. Существует два основных типа сверхпроводников: первые, например ртуть и алюминий, исключают присутствие магнитного поля внутри сверхпроводника, вторые, например ниобий и ванадий, допускают его наличие. Обычно эти два типа сверхпроводников представлены разными материалами. Однако существует также уникальный класс материалов, известных как ферромагнитные сверхпроводники, в которых возможен переход от одного типа сверхпроводимости к другому.

Ученые из НИУ ВШЭ, МФТИ и еще нескольких российских и международных институтов исследовали переход между типами сверхпроводимости в ферромагнитных сверхпроводниках. Они обнаружили, что переход из первого типа во второй происходит в определенном диапазоне температур — между температурой возникновения магнитного упорядочения и температурой сверхпроводящего перехода. В переходном состоянии в материале формируются сложные пространственные структуры — «узоры» из намагниченности и сверхпроводящего конденсата. Такие структуры чувствительны к изменению внешних условий: температуры, электрического или магнитного поля.

«Из металлов или полупроводников, у которых сопротивление меняется от температуры, делают термометры — температурные сенсоры. Из полупроводников, сопротивление которых меняется в ответ на изменение освещенности, делают датчики для включения освещения при наступлении темноты или при прохождении мимо людей. Чувствительность “узоров” в магнитном сверхпроводнике может стать основой нового типа сенсоров», — комментирует один из авторов статьи, директор Центра квантовых метаматериалов МИЭМ НИУ ВШЭ Алексей Вагов.

Высокочувствительные датчики температуры, магнитного или электрического поля нужны для отслеживания небольших изменений этих параметров. Это важно, например, для построения точного изображения в магнитно-резонансной томографии (сенсоры магнитного поля) или для электрокардиографии и электроэнцефалографии (сенсоры электрического поля), а также контроля любой высокоточной измерительной аппаратуры, в которой свойства компонентов зависят от температуры.

«В рамках стандартного подхода Гинзбурга — Ландау, который повсеместно используется для описания свойств сверхпроводников при температурах сверхпроводящего перехода нельзя объяснить возникновение “узоров” в магнитных сверхпроводниках. “Схватить” необходимый эффект помогла расширенная теория Гинзбурга — Ландау. Мы разрабатывали этот подход в течение последних десяти лет. И именно он помогает корректно описывать переход между разными типами сверхпроводимости и видеть образование экзотических магнитных свойств в переходном типе», — говорит Аркадий Шаненко, соавтор статьи, главный научный сотрудник Центра квантовых метаматериалов МИЭМ НИУ ВШЭ.

Ученые подчеркивают, что результат исследования универсален: переходная сверхпроводимость и «узоры» должны возникать в любом материале, где сверхпроводимость уживается с магнитными свойствами.