Физики экспериментально показали, что сверхпроводник может вызвать в находящемся в непосредственной близости обычном металле появление квантовых вихрей, в которых вихревые сверхпроводящие токи окружают цилиндрическое магнитное ядро. Причиной возникновения таких структур становится эффект наведенной квантовой когерентности, при этом размер вихрей в нормальном металле оказывается в несколько раз больше, чем в самом сверхпроводнике, пишут ученые в Nature Communications.
В сверхпроводниках при понижении температуры происходит переход из обычного проводящего состояния в сверхпроводящее, в котором сопротивление становится равным нулю, а магнитный поток — выталкивается из материала наружу. Этот переход может происходить резко (в таком случае материал называют сверхпроводником первого рода) или постепенно (в сверхпроводниках второго рода). Механизм второго типа переходов ученые объясняют образованием в структуре материала вихрей сверхпроводящего тока (вихрей Абрикосова), которые образуются вокруг несверхпроводящего магнитного ядра цилиндрической формы, ось которого направлена вдоль линий магнитного поля.
Физики из России и Франции под руководством Василия Столярова (Vasily Stolyarov) и Дмитрия Родичева (Dimitri Roditchev) из Московского физико-технического института показали, что такие же квантовые вихри с выраженным магнитным ядром могут образоваться и в достаточно толстом слое обычного несверхпроводящего металла, если его поверхность находится в непосредственной близости от поверхности сверхпроводника. Обнаружить этот эффект ученым удалось с помощью сканирующей туннельной микроскопии в системе, состоящей из слоя ниобия толщиной 100 нанометров, разделенного нанометровым зазором с пленкой меди толщиной 50 нанометров.
Измерения ученые проводили в условиях сверхвысокого вакуума при температуре от 4 до 4,5 кельвина, при которой ниобий проявляет свойства сверхпроводника второго рода, а медь находится в обычном проводящем состоянии. Перпендикулярно плоскому зазору прикладывали магнитное поле: сначала увеличивая его постепенно от 5 до 55 миллитесла (чтобы произошло образование вихрей), а потом резким скачком поднимая сразу до 120 миллитесла (чтобы влияние вихрей распространилось на соседнюю медь). В результате вихри, которые изначально образовались в ниобии, насквозь «пересекали» слой меди и оказывались на наружной поверхности металла, так что их можно было зафиксировать на картах проводимости с помощью туннельного микроскопа.
К такому эффекту приводит наведенная квантовая когерентность между двумя металлами, в результате которой в обычном металле появляются квантовые вихри, а в сверхпроводнике — происходит частичное нарушение порядка. Этот же эффект используется в большом количестве различных сверхпроводниковых систем — от простых джозефсоновских контактов до квантовых компьютеров. Что интересно, в данном случае он привел к образованию в обычном металле вихрей, магнитное ядро которых оказалось в несколько раз больше, чем у вихрей Абрикосова в самом ниобии.
Экспериментальные наблюдения физики подтвердили с помощью численного решения уравнения Узаделя и показали, что наведенная квантовая когерентность действительно может приводить к возникновению вихревых структур в обыкновенном металле. Эти вихри возникают непосредственно над вихрями Абрикосова в сверхпроводнике, но за счет влияния циркулирующих экранирующих токов их магнитное ядро оказывается значительно больше по размеру. Предложенная для теоретического описания численная модель позволила изучить поведение (в частности концентрацию и спектральные характеристики) квантовых вихревых структур в меди в зависимости от температуры и величины магнитного поля.
По словам ученых, описанный ими механизм формирования квантовых вихрей в обычном металле дает возможность создать метод управления их свойствами с помощью внешних условий. Такой контроль, в свою очередь, в будущем может позволить использовать этот эффект при создании сверхпроводящих кубитов, исследовании майорановских состояний и топологической сверхпроводимости.
Возникающие в сверхпроводящих материалах вихри Абрикосова часто проявляют довольно интересные свойства. Например, именно такие вихри оказались самыми быстрыми объектами на Земле после фотонов и других субатомных частиц. Так, в сверхпроводящей пленке из свинца при температурах порядка 7 кельвинов их скорость достигают 20 километров в секунду. А шведские физики предложили использовать вихри Абрикосова для разработки сверхпроводящего элемента памяти.
Александр Дубов