Ученые Михаил Фейгельман и Лев Иоффе, представляющие Институт теоретической физики им. Л.Д. Ландау и Московский физико-технический институт, смогли объяснить необычный эффект, наблюдаемый в сильно неупорядоченных сверхпроводниках. Физики связали плотность носителей сверхпроводящего тока с квантовыми свойствами вещества. Работа опубликована в журнале Physical Review B Condensed Matter And MaterialsPhysics, об исследовании рассказывается в пресс-релизе МФТИ.
Речь идет о так называемых сверхпроводниках с псевдощелью. Термин «щель» в квантовой теории сверхпроводимости обозначает характерный зазор на диаграмме с распределением электронов по энергиям в энергетическом спектре. Выделяют сверхпроводники с «обычной» щелью и особые сверхпроводники, которые даже в своем «нормальном» состоянии демонстрируют нечто похожее на щель — ее и называют псевдощелью. То есть в данном случае щель появилась, но фактически сверхпроводимости не возникло, она возникнет при большем охлаждении вещества, и свойства такого сверхпроводника будут отличаться от стандартных.
Эти сверхпроводники нельзя объяснить с помощью наиболее признанной сейчас БКШ-теории, ключевую роль в которой играют так называемые куперовские пары — связанные состояния двух электронов с противоположно направленными спинами. Для описания их поведения Фейгельман и Иоффе предложили собственную теорию и рассчитали с ее помощью зависимость плотности сверхпроводящего тока от ширины псевдощели сверхпроводника.
Изучение строения сверхпроводников с псевдощелью на микроскопическом уровне показало, что такие материалы отличаются сильной неупорядоченностью. Это значит, что их атомы не выстроены в идеальную кристаллическую решетку или структура этой решетки сильно нарушена. Согласно новой теории, неупорядоченность играет ключевую роль в том, что переход в сверхпроводящее состояние происходит не одновременно с формированием куперовских пар.
Связанные друг с другом электроны в таких материалах появляются до того, как исчезает электрическое сопротивление именно потому, что многочисленные отклонения в микроскопической структуре вещества от идеального порядка могут мешать куперовской паре, которая в упорядоченных кристаллах движется без всяких помех. При этом куперовские пары в сверхпроводнике с псевдощелью нельзя считать неподвижными: из-за квантовых эффектов их поведение несколько сложнее: подчиняясь соотношению неопределенностей, они не замирают неподвижно в одном месте, а «размазываются» по достаточно большой (десятки межатомных расстояний), но конечной области.
Вывод электрических параметров сверхпроводников с псевдощелью из квантовых свойств вещества важен как с фундаментальной, так и с прикладной точек зрения, в том числе для работы над созданием квантового компьютера.
