Физики выявляют причины потери в сверхпроводимости нановолокон

Охлаждение провода до чрезвычайно низкой температуры приводит к захватывающему явлению, когда электроны, отвечающие за перенос электрического тока, становятся спаренными и могут бесконечно течь без образования тепла или замедления.

Электроны внутри проволоки толщиной около 10 нм могут спариваться при низких температурах (зеленый) и стать сверхпроводящими – Они путешествуют без сопротивления. Однако при наличии магнитного поля пары отклоняются в противоположных направлениях (розовый и синий). (Image credit: Adrian Del Maestro)

Это увлекательное явление, называемое сверхпроводимостью, очень важно для машин с магнитно-резонансной томографией, используемых в больницах, а также крупномасштабных коллайдеров частиц.

Некоторые металлы ведут себя как сверхпроводники при более высоких температурах, со значительной способностью к обработке данных на сверхпроводниках и передаче электроэнергии.

Тем не менее, если толщина проволоки была уменьшена исследователями до наноразмерного размера, необходимого для передовых компьютерных компонентов – тоньше, чем человеческий волос миллионы раз – переход в сверхпроводящее состояние может исчезнуть » с электроны упорно не ладить все, вплоть до абсолютного нуля температуры ,»сказал Адриан дель Маэстро, физик УВМ.

В настоящее время инновационное исследование, возглавляемое Делом Маэстро и физиком из Университета штата Юта Андреем Рогачевым, показывает причину этого.

Исследование было опубликовано в журнале [1945901] Nature Physics от 9 июля 2018 года и впервые раскрывает микроскопический процесс, через который металлические провода теряют свою сверхпроводимость.

Когда провод достаточно мал, магнитное поле может расщепить эти электронные пары, известные как куперовские пары, которые взаимодействуют с другими куперовскими парами и испытывают демпфирующую силу от неспаренных электронов, которые существуют в системе. Небольшая проволока испытывает так называемый квантовый фазовый переход, переход от сверхпроводника к нормальному металлу.

. Способность контролировать этот переход в нанопроводах может привести к новому классу энергоэффективных информационных технологий, основанных на крошечном сверхпроводнике. «

Адриан Дель Маэстро

Чтобы получить информацию о фазовых переходах, можно проанализировать холодный напиток в жаркий летний день. Применением тепла для наблюдения за изменениями его свойств является урок классических фазовых переходов

В критической точке он переходит из жидкости в газ. Удаляя тепло из воды, помещая его в морозильник, можно наблюдать его превращение в твердый лед.

Рассматривайте охлаждение всего до чрезвычайно низких температур, очень низкое, что исчезают все термические эффекты. Это квантовая область, где магнитные поля и давление приводят к появлению новых фаз в явлении, известном как квантовые фазовые переходы (QPT).

Сверхпроводимость была открыта исследователями более века назад, а высокотемпературные сверхпроводники были обнаружены в 1986 году; однако точный механизм, лежащий в его основе, по-прежнему остается неясным, поскольку большинство материалов очень сложно понять физические аспекты в деталях.

Однако исследователи нового исследования, возглавляемого командами Университета штата Юта и Университета Гренобля во Франции, могли разработать и испытать ультрасовременные нанопроволки толщиной менее 10 нм из известного металлического сплава как молибден-германий.

Используя эти нанопроволоки, исследователи при поддержке Национального научного фонда могли бы тщательно исследовать, как нанопроволоки испытывают квантовые фазовые переходы из сверхпроводящего состояния в нормальное состояние металла при помещении в увеличивающееся магнитное поле при низких температурах.

]

. Новые лабораторные данные полностью интерпретируются теорией, выдвинутой Адрианом Дель Маэстро из UVM. Впервые в области сверхпроводимости все детали, связанные с квантовым фазовым переходом, предложенные теорией, были подтверждены с использованием реальных объектов в лаборатории

Квантовые фазовые переходы могут звучать действительно экзотично, но они наблюдаются во многих системах, от центра звезд до ядра атомов и от магнитов до изоляторов . Понимая квантовые флуктуации в этой более простой системе, мы можем говорить о каждой детали микроскопического процесса и применять его к более сложным объектам »

Рогачев, старший автор

Физики конденсированного состояния исследуют состояние материалов, когда все их тепло удаляется двумя способами: экспериментальные физики создают материалы для тестирования в лаборатории, а теоретические физики формулируют математические уравнения, чтобы получить представление о своем физическом поведении

Это новое исследование, опубликованное в Nature Physics описывает рассказ о том, как теория и эксперимент сообщали и мотивировали друг друга.

В теории «парных разломов» Дель Маэстро маловероятно, что одиночные электроны окажутся на краях самого маленького провода, так как даже одна нить атомов огромна по сравнению с размером электрона.

Однако Дель Маэстро заявил: « два электрона, которые образуют пары, ответственные за сверхпроводимость, могут быть далеко друг от друга, и теперь наноразмерный размер провода затрудняет их перемещение »

]

Впоследствии добавление мощного магнитного поля, которое распутывает пары путем изгибания их путей, приводит к сценарию, в котором « электроны неспособны сговориться, чтобы сформировать сверхпроводящее состояние », – заявил Дель Маэстро.

Представьте себе, что края проволоки и магнитного поля действуют как некоторая сила трения, которая заставляет электроны не хотеть спариваться столько . Эта физика должна быть универсальной .

Адриан Дель Маэстро

Source link