Сверхпроводимость наизнанку: Оксид индия демонстрирует аномальный квантовый переход

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com
| Мнение | Наука и космос

А вы знали, что мир сверхпроводников, казалось бы, подчиняющийся строгим законам, иногда преподносит сюрпризы? Недавнее исследование, проведенное командой физиков из Франции и Германии, пролило свет на весьма необычное поведение оксида индия при переходе между сверхпроводящим и изолирующим состояниями. И это открытие заставляет нас взглянуть на привычные процессы под новым углом.

Фазовые переходы: танцы материи

Прежде чем углубиться в детали, давайте вспомним, что такое фазовый переход. Представьте себе воду: при нагревании она из твердого льда превращается в жидкое состояние, а затем и в пар. Это — классические примеры фазовых переходов. Но в квантовом мире эти превращения могут происходить совершенно иначе, и уж точно — куда более загадочно.

Иллюстрация
Автор: ИИ Copilot Designer//DALL·E 3 Источник: www.bing.com

Сверхпроводники — это особые материалы, способные проводить электрический ток без какого-либо сопротивления при очень низких температурах. И вот, когда такой материал переходит из сверхпроводящего состояния в обычное изолирующее, в большинстве случаев всё происходит плавно и предсказуемо. Но, как оказалось, не всегда.

Оксид индия: бунтарь среди сверхпроводников

Исследователи обратили внимание на оксид индия. Это не простой материал; у него есть свои «особенности» — нарушения в структуре на разных уровнях. Именно эти нарушения и делают его таким уникальным. Используя микроволновую спектроскопию, ученые пристально наблюдали за поведением этого материала при изменении температуры.

Ожидалось, что при повышении температуры, когда оксид индия начинает терять свои сверхпроводящие свойства, его так называемая сверхтекучая жесткость (показатель того, насколько материал сопротивляется изменению своего состояния) будет снижаться плавно. Как если бы музыка постепенно затихала. Но в реальности произошло кое-что совсем иное — словно резко выключили звук. Сверхтекучая жесткость обрушилась, причем скачкообразно. Это было неожиданно, и именно это открытие привлекло особое внимание.

Фазовый сверхпроводящий переход. Экспериментальная фазовая диаграмма, представляющая критическую температуру Tc, одночастичный туннельный зазор ∆ (из [10, 12, 27 здесь и далее см. ориг. исследование]) и низкотемпературную сверхтекучую жесткость Θ как функцию сопротивления листа. Данные по туннелированию были получены на практически идентичных пленках [10, 12, 27], что позволяет провести последовательное сравнение с современными микроволновыми образцами. При увеличении беспорядка, то есть сопротивления, сверхпроводник переходит из режима BCS с Θ > ∆ и Tc ∝ ∆ в режим фазовых флуктуаций, характеризующийся Θ < ∆ и Tc ≈ Θ. В последнем случае сверхпроводящий переход обусловлен установлением фазовой жесткости предварительно сформированных куперовских пар, возникающих в виде псевдозазора в плотности состояний одной частицы. Синие, зеленые и красные пунктирные линии — ориентиры для глаз. Вставка: туннельная проводимость, измеренная на пленке a: InO (Tc = 1,7 K), как функция напряжения смещения на туннельном переходе и температуры. Черной пунктирной линией отмечен спектр туннелирования при T = Tc. Псевдозазор выше Tc простирается до ∆ ≃ 6 K в отличном согласии с фазовой диаграммой. Пунктирные линии ниже (синий) и выше Tc (красный) на вставке также представлены на рисунке при соответствующем беспорядке. Рисунок воспроизведен из работы [10]. [10]. Цитирование: Charpentier, T., Perconte, D., Léger, S. et al. arXiv:2404.09855 [cond-mat.mes-hall] DOI: https://doi.org/10.48550/arXiv.2404.09855
Автор: Charpentier, T., Perconte, D., Léger, S. et al. Источник: arxiv.org
Куперовские пары: не всё так просто

А что же куперовские пары, те самые пары электронов, которые «танцуют» вместе в сверхпроводниках? Традиционно считается, что именно от их движения и зависит критическая температура, при которой материал теряет свою сверхпроводимость. Но в случае с оксидом индия всё оказалось иначе: критическую температуру определяла не сила связей этих пар, а именно сверхтекучая жесткость. Как будто оркестр играет по нотам, но дирижёр вдруг становится абсолютно неважен.

Квантовый распад сверхпроводимости первого порядка a. Эволюция низкотемпературной сверхтекучей жесткости Θ и критической температуры Tc с сопротивлением листа в полулогарифмическом масштабе. При критическом расстройстве, обозначенном вертикальной черной пунктирной линией, и Θ, и Tc остаются конечными, насыщаясь при температуре около 0,5 К, не демонстрируя подавления по закону мощности, ожидаемого для квантовой критичности в непрерывных квантовых фазовых переходах. Такое резкое, скачкообразное подавление сверхтекучей плотности при критическом расстройстве указывает на квантовый фазовый переход первого порядка. b. Фазовая диаграмма, описывающая конкуренцию между сверхпроводящей фазой и фазой кулоновского стекла с локализованными куперовскими парами (теоретическое обоснование см. в разделе «Методы»). Сверхпроводящий переход характеризуется среднеполевой критической температурой Tc0, подавляемой эффектами беспорядка и взаимодействия [8], и температурой перехода Березинского-Костерлица-Тулеса T BKT c [35, 36], знаменующей наступление квазидлинноволнового порядка. Одночастичный зазор ∆ немонотонно изменяется по всему переходу, что наблюдается экспериментально (см. рис. 2) и ожидается теоретически [29- 32]. Tg — температура стеклования, пропорциональная шкале кулоновской энергии Ec (см. уравнение (2)), которая изменяется с ростом беспорядка согласно EC ≈ 0,02 δloc [40], где δloc обозначает среднее расстояние между уровнями в объеме локализации. Rc обозначает критический уровень беспорядка, разделяющий сверхпроводник и стекло Купера, а RT — сопротивление в трикритической точке, где пересекаются три линии перехода. Поведение изолятора с повторным центром возникает здесь из-за наличия существенной области температур, где тепловые сверхпроводящие флуктуации [41] могут уменьшить сопротивление и имитировать сверхпроводящий переход, только для того, чтобы прервать его в результате возникновения изолятора в виде стекла Купера. Цитирование: Charpentier, T., Perconte, D., Léger, S. et al. arXiv:2404.09855 [cond-mat.mes-hall] DOI: https://doi.org/10.48550/arXiv.2404.09855
Автор: Charpentier, T., Perconte, D., Léger, S. et al. Источник: arxiv.org
Загадка, требующая решения

В чем же дело? Почему оксид индия ведет себя так непредсказуемо? Точного ответа пока нет. Но это открытие бросает вызов существующим представлениям о квантовых фазовых переходах. Оно говорит о том, что в мире сверхпроводников еще много неизведанного, и что, возможно, именно в подобных необычных материалах и кроются ключи к созданию более стабильных и надежных квантовых устройств.

Честно говоря, такие открытия заставляют задуматься о фундаментальных свойствах материи и о том, как мы много еще не понимаем. По сути, это — своеобразный квантовый бунт, который открывает нам двери в новые области исследований и, возможно, в будущее квантовых технологий. И кто знает, какие еще сюрпризы нам приготовила квантовая реальность?

7 комментариев

Добавить комментарий

1
Я настолько тупой что из всей статьи понял только что Индия это оксид
1
Это нормально. Статья из говножурнала, переведена на русский нейронный. А сам автор этой статьи ни физику, ни математику знать не знает.
a
Переход воды из жидкости в лед — это фазовый переход первого рода. Переход из обычного металла в сверхпроводящее состояние — переход второго рода. При этом изменяются симметрии внутри вещества. Статья говорит о том, что переходы второго рода очень разнообразны и всякая мелочь может изменить поведение при переходе.
S
>>вы знали, что мир сверхпроводников, казалось бы, подчиняющийся строгим законам


Не знали.
Скорее всего потому, что точного определения, что происходит со сверхпроводниками как не было, так и нет.
A
Опять машинный перевод. «Квантовый распад сверхпроводимости первого порядка». Как минимум «Первого рода» и «второго рода» и никак иначе. И скорее «разрушение сверхпроводящего состояния» чем «распад сверхпроводимости», но тут уже нужно узких специалистов звать для перевода.
1
Оксид Индия и Робиндронатрий Тагора…
1
Всё как обычно, куча фактов, которая говорит, что общепринятая теория фуфло, игнорируется, так как звания получены, гранты потрачены и нефиг тут лезть, со своими фактами…

Добавить комментарий

Сейчас на главной

Новости

Публикации

Могут ли ученые понять язык клеток? Как расшифровка их сигналов позволит воссоздать ткани человека на компьютере

Человеческий организм состоит из десятков триллионов клеток. Чтобы этот огромный массив элементов успешно функционировал, клетки должны работать согласованно. Каждая клетка непрерывно анализирует...

Не только Steam Deck: 10 портативных игровых ПК, актуальных в 2026 году

Steam Deck всё ещё остаётся удобной точкой отсчёта для портативного ПК-гейминга. У него сильная сторона не только в железе, а в сочетании SteamOS, цены, понятного интерфейса и большой библиотеки...

Ловушка чистого воздуха: почему борьба с выхлопными газами может временно усилить смог

Смог над крупными городами часто представляют как облако сажи и пыли, летящее напрямую из выхлопных труб и заводских труб. Однако значительная часть вредной дымки, которая висит над мегаполисами,...

Как гигантское бетонное НЛО появилось на балканской горе

Если человек на полном серьезе рассуждает о существовании летающих тарелок, не спешите записывать его в сумасшедшие. Возможно, он просто когда-то входил в болгарскую коммунистическую партию и в...

20-полосные магистрали, по которым никто не ездит: где они находятся и для чего их построили

В наши дни пробки и перегруженные дороги уже стали обыденностью для большинства мегаполисов. Но в мире существуют и удивительные исключения. Огромные многополосные магистрали, рассчитанные на...

Гул трибун, голос комментатора и 100 Вт мощности: обзор саундбара SVEN SB-2065

Для того, чтобы просматривать матчи в прямом эфире с глубоким рокотом трибун, поддерживающих игроков, с понятным и четким голосом комментатора, объемным звучанием для поддержки особого настроя был...