Физики впервые теоретически объяснили линейную зависимость верхнего критического поля от температуры в сверхпроводниках второго рода с сильно разупорядоченной структурой вблизи абсолютного нуля. Для этого ученые использовали модель «вихревого стекла», которая описывает систему вихрей Абрикосова, закрепленных при температуре абсолютного нуля на дефектах кристаллической структуры. Предложенная модель не только позволила объяснить известную низкотемпературную аномалию, но и описала степенную связь магнитного поля и критического тока. Теоретические подходы, которые использовались ранее, эти эффекты объяснить не могли, пишут ученые в Nature Physics.

Если сверхпроводник поместить в относительно слабое магнитное поле, то за счет эффекта Мейснера из объема материала это поле будет «выталкиваться», так что внутри сверхпроводника его напряженность окажется равной нулю. При увеличении напряженности поля выше определенного значения материал резко переходит в нормальное состояние, и магнитное поле становится способно проникать внутрь. Однако идеальным образом такая схема выполняется только в сверхпроводниках первого рода, которых известно достаточно немного. Значительно больше сверхпроводящих материалов, в которых между двумя крайними состояниями — абсолютно сверхпроводящим и нормальным — существует еще одна промежуточная фаза. Это сверхпроводники второго рода, в которых при первом критическом поле Bc1 магнитное поле частично проникает внутрь материала, формируя в нем сверхпроводящие квантовые вихри, а при более сильном поле Bc2 происходит разрушение и этого состояния и материал полностью теряет свои сверхпроводящие свойства.

Визуализация вихрей в сверхпроводнике на основе оксида бария, иттрия и меди с помощью SQUID-микроскопии. Frederick S. Wells et al./ Scientific Reports, 2015

Схематическая зависимость верхнего и нижнего критического полей в сверхпроводнике второго рода от температуры. Frederic Bouquet & Julien Bobroff / Wikimedia commons

Зависимость критического поля Bc2 от температуры для большинства материалов изучена довольно подробно: в частности, известно, что при низких температурах это значение перестает меняться и выходит на насыщение, что объясняется классической теорией Бардина — Купера — Шриффера. Однако известно и некоторое количество сверхпроводников с неупорядоченной структурой, в которых зависимость верхнего критического поля от температуры при ее приближении к нулю зависит от температуры линейно. Такое поведение наблюдалось в некоторых оксидных материалах, металлических сплавах, и легированных материалах как с трехмерной, так и двумерной структурой, но описать его теоретически не удавалось. Как правило, эту аномалию объясняют совместным эффектом сильных флуктуаций, нарушения порядка структуры и поведением сверхпроводящих вихрей, тем не менее ни одна из теорий не предсказывала наблюдаемой в эксперименте зависимости.

Чтобы объяснить эту аномалию, группа физиков из Франции, США, Израиля и России под руководством Бенжамена Сасепе (Benjamin Sacépé) из Университета Гренобль-Альп и Михаила Фейгельмана (Mikhail V. Feigel’man) из Института теоретической физики имени Ландау измерила зависимость критического магнитного поля и критического тока от температуры в сверхпроводящих аморфных пленках оксида индия с высокой степенью разупорядоченности. В этом сверхпроводнике вихри существуют и при отсутствии внешнего магнитного поля, они при этом жестко закреплены на примесях в неупорядоченной структуре и формируют фазовое состояние «вихревого стекла». Описание этого основного состояния этого двумерного сверхпроводника как вихревого стела позволило физикам построить модель, связывающую неупорядоченность структуры с влиянием внешнего магнитного поля и температуры на поведение вихрей и значение критического тока в сверхпроводнике.

В эксперименте, кроме линейной зависимости критического поля B_c2 от температуры, ученые также обнаружили, что при температурах, близких к абсолютному нулю, критический ток связан с магнитным полем степенной зависимостью j_c ~ |B — B_c2|^3/2. Исследователи отмечают, что показатель степени 3/2 соответствует приближению среднего поля, на основе которого авторы и построили новую теоретическую модель. В рамках же тех моделей, которые предлагались раньше, такую зависимость объяснить не удается. В результате небольших изменений температуры в системе возбуждаются тепловые флуктуации относительно основного состояния, и именно они становятся причиной линейной зависимости критического тока от температуры вблизи абсолютного нуля.

Зависимость критического тока от магнитного поля для нескольких исследованных образцов с разной степенью разупорядоченности. Benjamin Sacépé et al./ Nature Physics, 2018

Показать применимость разработанной модели ученым удалось на объемных сверхпроводниках с помощью измерений сильной зависимости наклона зависимости B_c2(T) от поверхностного сопротивления, которую сначала ученые предсказали теоретически, а потом подтвердили в эксперименте. По словам ученых, эта модель в общем случае может использоваться для любых сверхпроводников с разупорядоченной структурой, однако лучше всего она описывает материалы с низкой плотностью сверхтекучей компоненты, в которых сильно выражены фазовые флуктуации.

Изучение необычных магнитных свойств сверхпроводящих материалов позволяет разрабатывать все более точные теоретические модели для их описания. Например, недавно группа физиков из Японии и Нидерландов показала, что в сверхпроводнике на основе селенида висмута верхнее критическое поле сильно зависит от направления в кристалле, которое при этом отличалось от стандартной магнитной анизотропии слоистых сверхпроводников. Большое количество исследований, связанных со сверхпроводниками, посвящено и попыткам управлять структурой системы абрикосовских вихрей. Так, группа ученых из России и Франции разработала способ, с помощью которого можно менять положение отдельных вихрей с помощью лазера и даже «расчищать» от них некоторую область в материале. А недавно физики экспериментально обнаружили, что с помощью сверхпроводника можно создавать аналогичные квантовые вихри и в обычном металле.

Автор: Александр Дубов