Os físicos encontraram uma explicação para o comportamento paradoxal de supercondutores "muito sujos" em baixas temperaturas. Esses materiais promissores podem ser usados para criar um computador quântico. Ao entender por que tais substâncias não obedecem à teoria padrão da supercondutividade, os cientistas serão capazes de criar os qubits mais isolados - as unidades de computação elementares dos computadores quânticos. O trabalho de uma equipe de pesquisadores com a participação de funcionários do L. D. Landau RAS foi publicado na revista Nature Physics.
Supercondutores são materiais nos quais, sob certas condições, a resistência elétrica desaparece completamente. Isso significa que a corrente elétrica pode fluir pelos fios feitos desse material sem perdas, enquanto nos fios convencionais uma parte da energia é dissipada como calor. A supercondutividade foi descoberta no início do século 20, mas a primeira teoria fenomenológica, que explicava muitas de suas propriedades, foi desenvolvida em 1950 por Lev Landau e Vitaly Ginzburg. Sete anos depois, os americanos Harry Bardeen, Leon Cooper e John Schrieffer criaram uma teoria geral da supercondutividade (a chamada teoria BCS), que imediatamente ganhou o Prêmio Nobel - a enorme importância do fenômeno era tão óbvia.
Entre outras coisas, a teoria BCS previu como os supercondutores deveriam se comportar em um campo magnético. Quando os campos são pequenos, essas substâncias os "empurram" para fora de si mesmas, enquanto permanecem supercondutores. Essa propriedade fundamental é chamada de efeito Meissner. Se continuarmos a aumentar o campo, em algum ponto as propriedades supercondutoras desaparecerão abruptamente. O valor no qual o campo magnético suprime a supercondutividade no material é chamado de campo magnético crítico. Depende da temperatura: quanto mais frio, maior é o campo crítico. Ou seja, quando um supercondutor está a uma temperatura próxima à crítica, mesmo pequenos campos magnéticos são suficientes para retirá-lo do estado supercondutor,entretanto, com resfriamento muito forte (até 1/5 da temperatura crítica e abaixo), essa regularidade desaparece e o campo magnético crítico deixa de depender da temperatura. Agora, para retirar um material de um estado supercondutor, é necessário aplicar um campo magnético da mesma magnitude - não importa se o supercondutor permanece nessa temperatura ou até mesmo esfria.
“Esta imagem clássica da dependência não é cumprida para supercondutores 'muito sujos', - explica um dos autores do artigo, Mikhail Feigelman, do Instituto de Física em homenagem a L. D. Landau. - Este termo denota supercondutores feitos de ligas metálicas com uma estrutura de cristal altamente danificada, quase amorfa. O campo magnético crítico continua a aumentar aproximadamente linearmente com a diminuição da temperatura para valores arbitrariamente baixos que podem ser alcançados experimentalmente. Este fato era conhecido há muito tempo, mas ele não tinha uma explicação clara."
No novo trabalho, os cientistas foram capazes de compreender qual é a natureza do comportamento atípico de supercondutores "muito sujos". O principal experimento que tornou possível entender isso foi a medição de outro parâmetro mais importante dos supercondutores - a corrente crítica. Este é o valor máximo de corrente sustentada que pode fluir em um supercondutor sem perda de energia para dissipação em calor. Em correntes mais altas, a substância perde suas propriedades supercondutoras, ou seja, a resistência aparece nela, e a amostra da substância começa a aquecer. Os físicos mediram como a corrente crítica em um filme supercondutor de óxido de índio depende do campo magnético. Os cientistas passaram uma corrente através do filme, que estava em um campo magnético, cujo valor era ligeiramente menor que o valor crítico, e observaram em qual valor da corrente na amostra o comportamento supercondutor seria destruído.
Experimentos semelhantes foram realizados antes. A singularidade deste trabalho é que a dependência da corrente supercondutora máxima no campo magnético em supercondutores "muito sujos" foi medida em campos magnéticos próximos a temperaturas críticas e muito baixas. “Surpreendentemente, descobriu-se que a corrente crítica de uma forma muito simples depende de quão próximo o campo magnético está do valor crítico. É uma relação power-law, o grau é 3/2”, diz Feigelman. Além disso, os cientistas determinaram como o campo crítico em um filme de óxido de índio depende da temperatura.
“Ao observar os resultados desses dois experimentos, pudemos entender como eles estão relacionados”, diz Feigelman. - Um aumento estável no campo magnético crítico em baixas temperaturas em supercondutores "muito sujos" ocorre devido ao fato de que no estado supercondutor, que é realizado em um campo magnético forte, há flutuações térmicas dos chamados vórtices de Abrikosov (vórtices de supercorrente quântica que aparecem em supercondutores sob o efeito de um campo magnético externo, que penetra no supercondutor desta forma). E encontramos uma maneira de descrever essas flutuações. " As previsões da teoria elaboradas pelos autores descrevem bem os dados experimentais obtidos.
Supercondutores "muito sujos", também chamados de supercondutores altamente desordenados, são uma área ativa de pesquisa na física moderna. Normalmente, quanto mais "desordem" um metal tem, pior ele conduz uma corrente elétrica. Com a diminuição da temperatura, a condutividade dos metais desordenados aumenta. Supercondutores "muito sujos" se comportam de forma diferente: no estado normal, são dielétricos fracos e, quando resfriados, conduzem a corrente cada vez pior, mas ao atingir uma temperatura crítica, de repente se transformam em supercondutores. “Um supercondutor e um dielétrico são estados opostos em suas propriedades, por isso é surpreendente que nessas substâncias eles possam se transformar um no outro”, explica Feigelman. - Embora supercondutores "muito sujos" tenham sido estudados por 25 anos, uma teoria completa,o que explicaria todas as suas esquisitices, ainda não está presente."
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Nos últimos anos, o interesse por supercondutores desordenados também aumentou devido ao surgimento de novas áreas onde tais substâncias são muito procuradas. Por exemplo, supercondutores "muito sujos" são ideais para isolar bits quânticos supercondutores de todos os tipos de interferência - as unidades de computação elementares de um computador quântico. É mais conveniente isolá-los do mundo externo usando elementos com indutância muito alta. Ele determina o quão forte o fluxo magnético será criado pela corrente elétrica fluindo no sistema. A indutância de uma substância é tanto maior quanto menor for a densidade dos elementos condutores nela, e esse parâmetro diminui com o crescimento da "sujeira" nos supercondutores.
