Los físicos han encontrado una explicación para el comportamiento paradójico de los superconductores "muy sucios" a bajas temperaturas. Estos materiales prometedores se pueden utilizar para crear una computadora cuántica. Al comprender por qué tales sustancias no obedecen a la teoría estándar de la superconductividad, los científicos podrán crear los qubits más aislados: las unidades informáticas elementales de las computadoras cuánticas. El trabajo de un equipo de investigadores con la participación de empleados del L. D. Landau RAS se publicó en la revista Nature Physics.
Los superconductores son materiales en los que, en determinadas condiciones, la resistencia eléctrica desaparece por completo. Esto significa que la corriente eléctrica puede fluir a través de cables hechos de este material sin pérdidas, mientras que en los cables convencionales parte de la energía se disipa en forma de calor. La superconductividad se descubrió a principios del siglo XX, pero la primera teoría fenomenológica, que explicaba muchas de sus propiedades, fue desarrollada en 1950 por Lev Landau y Vitaly Ginzburg. Siete años después, los estadounidenses Harry Bardeen, Leon Cooper y John Schrieffer crearon una teoría general de la superconductividad (la llamada teoría BCS), que inmediatamente ganó el Premio Nobel, tan obvia era la importancia colosal del fenómeno.
Entre otras cosas, la teoría BCS predijo cómo deberían comportarse los superconductores en un campo magnético. Cuando los campos son pequeños, estas sustancias los "empujan" fuera de sí mismos, mientras permanecen superconductores. Esta propiedad fundamental se llama efecto Meissner. Si seguimos aumentando el campo, en algún momento las propiedades superconductoras desaparecen abruptamente. El valor en el que el campo magnético suprime la superconductividad en el material se denomina campo magnético crítico. Depende de la temperatura: cuanto más frío, mayor es el campo crítico. Es decir, cuando un superconductor está a una temperatura cercana a la crítica, incluso pequeños campos magnéticos son suficientes para sacarlo del estado superconductor.sin embargo, con un enfriamiento muy fuerte (hasta 1/5 de la temperatura crítica y menos) esta regularidad desaparece y el campo magnético crítico deja de depender de la temperatura. Ahora, para eliminar un material de un estado superconductor, es necesario aplicar un campo magnético de la misma magnitud; no importa si el superconductor permanece a esta temperatura o incluso se enfría.
“Esta imagen clásica de dependencia no se aplica a los superconductores“muy sucios””, explica uno de los autores del artículo, Mikhail Feigelman del Instituto de Física que lleva el nombre de L. D. Landó. - Este término denota superconductores hechos de aleaciones metálicas con una red cristalina muy dañada, casi amorfa. El campo magnético crítico continúa aumentando aproximadamente linealmente con la temperatura decreciente hasta valores arbitrariamente bajos que se pueden lograr experimentalmente. Este hecho se conocía desde hace mucho tiempo, pero no tenía una explicación clara.
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En el nuevo trabajo, los científicos pudieron comprender cuál es la naturaleza del comportamiento atípico de los superconductores "muy sucios". El experimento clave que hizo posible comprender esto fue la medición de otro parámetro más importante de los superconductores: la corriente crítica. Este es el valor máximo de corriente sostenida que puede fluir en un superconductor sin pérdida de energía para disiparse en calor. A corrientes más altas, la sustancia pierde sus propiedades superconductoras, es decir, aparece resistencia en ella y la muestra de la sustancia comienza a calentarse. Los físicos han medido cómo la corriente crítica en una película superconductora de óxido de indio depende del campo magnético. Los científicos hicieron pasar una corriente a través de la película, que estaba en un campo magnético, cuyo valor era ligeramente menor que el crítico, y observaron a qué valor de la corriente en la muestra se destruiría el comportamiento superconductor.
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Se han llevado a cabo experimentos similares antes. La singularidad de este trabajo es que la dependencia de la corriente superconductora máxima del campo magnético en superconductores "muy sucios" se midió en campos magnéticos cercanos a las temperaturas críticas y muy bajas. “Sorprendentemente, resultó que la corriente crítica de una manera muy simple depende de qué tan cerca esté el campo magnético del valor crítico. Es una relación de poder-ley, el grado es 3/2”, dice Feigelman. Además, los científicos han determinado cómo el campo crítico en una película de óxido de indio depende de la temperatura.
“Al observar los resultados de estos dos experimentos, pudimos comprender cómo se relacionan”, dice Feigelman. - Se produce un aumento estable del campo magnético crítico a bajas temperaturas en superconductores "muy sucios" debido a que en el estado superconductor, que se realiza en un campo magnético fuerte, hay fluctuaciones térmicas de los llamados vórtices de Abrikosov (vórtices de supercorriente cuántica que aparecen en superconductores bajo el efecto de un campo magnético externo, que penetra en el superconductor de esta manera). Y encontramos una manera de describir estas fluctuaciones ". Las predicciones de la teoría elaboradas por los autores describen bien los datos experimentales obtenidos.
Los superconductores "muy sucios", también llamados superconductores altamente desordenados, son un área activa de investigación en la física moderna. Por lo general, cuanto más "desorden" tiene un metal, peor conduce una corriente eléctrica. Con la disminución de la temperatura, aumenta la conductividad de los metales desordenados. Los superconductores "muy sucios" se comportan de manera diferente: en el estado normal, son dieléctricos débiles y, cuando se enfrían, conducen cada vez peor la corriente, pero al alcanzar una temperatura crítica, de repente se transforman en superconductores. “Un superconductor y un dieléctrico son estados opuestos en sus propiedades, por eso es sorprendente que en tales sustancias puedan transformarse entre sí”, explica Feigelman. - Aunque los superconductores "muy sucios" se han estudiado durante 25 años, una teoría en toda regla,lo que explicaría todas sus rarezas, todavía no está presente ".
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En los últimos años, el interés por los superconductores desordenados también ha aumentado debido a la aparición de nuevas áreas donde estas sustancias tienen una gran demanda. Por ejemplo, los superconductores "muy sucios" son ideales para aislar bits cuánticos superconductores de todo tipo de interferencias: las unidades informáticas elementales de una computadora cuántica. Lo más conveniente es aislarlos del mundo exterior utilizando elementos con inductancia muy alta. Determina qué tan fuerte será el flujo magnético creado por la corriente eléctrica que fluye en el sistema. La inductancia de una sustancia es mayor, menor es la densidad de elementos conductores en ella, y este parámetro disminuye con el crecimiento de "suciedad" en los superconductores.
