Сверхпроводимость обеспечила сверхизоляцию

Явление сверхпроводимости, до сих пор остающееся загадочным для большинства из нас, обусловлено упорядочением индивидуальных параметров частиц на макроскопическом масштабе. Что-то подобное встречается в магнетизме - например, магнитные свойства железа обусловлены тем, что индивидуальные магнитные моменты его атомов выстраиваются в одном направлении.

В сверхпроводниках упорядочению подвергаются квантовомеханические параметры электронов, в результате чего индивидуальные в нормальном состоянии носители заряда в сверхпроводящем состоянии становятся частью огромного коллектива спаренных частиц, ведущих себя как одна огромная квантовомеханическая система и единообразно откликаются на различные внешние воздействия.

В последнем выпуске Nature появилась статья, описывающая проявление упорядочения, приводящее к возникновению явления, которое авторы назвали сверхсопротивлением.

Это означает, что материал, проявляющий сверхпроводящие свойства, в определенных условиях попросту перестает проводить электричество, становясь идеальным изолятором.

Авторы работы подчеркивают большую корректность слова «антисверхпроводимость» в случае их эффекта, а не «сверхсопротивление»: явление нулевой проводимости может быть обнаружено в определенных условиях только на сверхпроводящих материалах. Впрочем, оба термина допустимы.

Новое физическое явление ученые из Института физики пулупроводников в Новосибирске и американской Национальной лаборатории в Аргонне во главе с Татьяной Батуриной и Валерием Винокуром наблюдали на тонких пленках нитрида титана (TiN). Эксперимент провели в Университете Регенсбурга Татьяна Батурина и Алексей Миронов, а теоретическое объяснение антисверхпроводимости нашёл Валерий Винокур.

В данном случае речь идет о двумерной системе сверхпроводящих участков, разделенных изолирующей матрицей. Как пояснил «Газете.Ru» сам Винокур, электропроводность подобного рода материалов сильно зависит от толщины пленки. При этом существует определённок критическое значение этого параметра. При толщине меньше критической подобные материалы ни при каких температурах не могут быть сверхпроводниками и являются изоляторами. При переходе через эту граничную толщину они претерпевают так называемый квантовый фазовый переход и способны стать сверхпроводниками при понижении температуры.

Интересы ученых и были сосредоточены как раз на этой тонкой границе перехода. Они изучали пленки, по толщине лишь чуть-чуть «не дотягивающие» до границы сверхпроводимости. В этом случае нитрид титана является обычным изолятором с высоким сопротивлением. Но как только его температура понижается до, примерно, 0,04 градусов выше абсолютного нуля, сопротивление материала резко увеличивается. Насколько - точно сказать нельзя, так как измерить его не удалось. Речь идёт по меньшей мере о сотнях тысяч раз.

Такой переход материала с конечным сопротивлением к материалу с сопротивлением, не поддающимся измерению, и был назван переходом в сверхизолирующее или антисверхпроводящее состояние.

Включение магнитного поля ещё более понижает температуру такого «сверхизоляторного» перехода. Более того, слишком сильное магнитное поле вообще разрушает сверхизолятор - в замечательном соответствии со сверхпроводимостью, где магнитные поля, превышающие так называемое критическое значение уничтожают сверхпроводящее состояние!

«Механизм перехода материала в сверхизолирующее состояние можно назвать зеркальным по отношению к механизму перехода в сверхпроводящее состояние», - сказал Винокур.

Согласно модели авторов статьи в Nature, виновата в таком поведении гибридная структура материала. Сверхпроводящие «лужицы» в нём разделены между собой непроводящими участками - барьерами, называемыми мостиками, или переходами Джозефсона. Эти островки настолько малы, что появление на нём даже одной «лишней» пары электронов (в сверхпроводящем состоянии электроны объединяются в так называемые куперовские пары) создает электрические силы, ставящие огромный барьер для последующих частиц. Это явление называется «кулоновской блокадой» и именно оно является ответственным за изоляторные свойства исследуемых плёнок нитрида титана.

Чтобы понять, что приводит к дальнейшему росту сопротивления в сотни тысяч раз при переходе в сверхизолятор, нам придется взглянуть на систему с позиций квантовой механики, так как здесь, как и в случае сверхпроводимости, речь идет об упорядочении квантовых величин на макроскопическом уровне.

В случае сверхпроводника, огромное количество электронных куперовских пар становится частью невообразимо большого ансамбля, все участники которого коллективно откликаются на внешние воздействия. С позиций квантовой механики это означает, что все электронные пары каждого островка сверхпроводимости в нитриде титана описываются одной волновой функцией - функцией, наиболее полно вероятностно описывающей поведение квантовомеханической системы.

Волновая функция может рассматриваться как комплексное число, характеризуемое модулем и фазой. Квадрат модуля волновой функции - это просто плотность чатиц в данной точке. Модуль и фаза являются так называемыми квантово сопряженными величинами, которые, согласно принципу неопределенности, нельзя измерить одновременно. В сверхпроводящем ансамбле куперовских пар, волновая функция имеет определенную фазу, которую, в принципе, можно измерить. Это означает, что плотность, то есть заряд сверхпроводящего ансамбля не определен, что и является физической причиной течения тока без тепловых потерь.

«В более простой интерпретации это значит, что мы не можем измерить протекающий через проводник заряд, зная, что он находится в сверхпроводящем состоянии» - пояснил Валерий Винокур.

В островковой структуре эффект кулоновской блокады приводит к тому, что, в принципе, заряд перескакивающий между островками может быть измерен. В результате, на каждом островке возникают независимые друг от друга флуктуации фазы волновой функции, которые вызывают флуктуирующие электрические поля. Ключевым теперь является эффект синхронизации: фазы на разных островках подлаживаются друг под друга так, что все электрические поля островков складываются и делают движение заряда полностью невозможным.

Это - новый эффект коллективной кулоновской блокады который и есть причина появления сверхизоляторного или антисверхпроводящего состояния.

«Это явление так же можно выразить в более простых словах, - сказал Валерий Винокур. - Говоря иначе, в состоянии антисверхпроводимости материал обладает гигантской поляризуемостью, то есть каждый сверхпроводящий островок становится электрическим диполем, вектор напряженности поля которого сонаправлен с вектором всех остальных островков, и противоположен по направлению вектору внешнего элеткрического поля. Потому заряд перемещаться в пленке просто не может».

Новое явление - из редкого в наши дни класса неожиданных открытий.

Это не продолжающиеся уже несколько десятилетий поиски теоретически давно предсказанных частицы Хиггса или горизонта событий чёрных дыр. В данном случае Винокуру и его коллегам пришлось искать объяснение явлению, обнаруженному ими в лаборатории. И своё объяснение они продолжают называть всего лишь «моделью».

«Открытие явления антисверхпроводимости явилось результатом долгого и кропотливого исследования, которое многим казалось совершенно бесперспективным. И в тоже время, как наверное и всякое открытие, оно произошло вследствие стечения счастливых обстоятельств. Открытием этим мы всецело обязаны систематической и вдохновенной работе Татьяны Батуриной, сотруднице Новосибирского института физики полупроводников, одной из авторов публикации в Nature» - говорит Винокур.

Как говорит Винокур, явление, обнаруженное его командой, интересно в первую очередь с фундаментальной точки зрения и его усилия в настоящее время сосредоточены на дальнейшем его изучении, однако, как и сверхпроводники, сверхизоляторы обладают и вполне конкретной, бытовой, что называется, полезностью. Вполне возможно, что применение сверхизолирующих материалов позволит избежать саморазряда батарей - головной боли всех производителей химических источников тока.