Сверхпроводящие материалы не имеют электрического сопротивления при температурах близких к абсолютному нулю. Это означает, что для того, чтобы спровоцировать течение электрического тока внутри сверхпроводника, требуется очень небольшое количество энергии.

Такие устройства, как компьютерные процессоры, в будущем могут конструироваться из сверхпроводящих материалов. Это позволит затрачивать гораздо меньше электроэнергии на работу вычислительных машин, чем это делается сегодня, когда вместо сверхпроводников в процессорах используются обычные кремниевые схемы.

Трудность перехода к сверхпроводниковым технологиям обусловлена рядом фундаментальных физических проблем, одну из которых удалось преодолеть команде из Массачусетского технологического института в рамках нового исследования. До недавнего времени соотношение между физическими и электрическими параметрами сверхпроводников основывалось преимущественно на теоретических выводах и допущениях. При этом ни один из законов не был доказан на практике.

Исследователи из MIT вывели формулу, которая связывает толщину материала, температуру и электрическое сопротивление, и она оказалась справедлива для любого сверхпроводника.

В своей работе авторы нового исследования ориентировались и на результате предыдущих анализов и экспериментов. Так, ранее было установлено, что критическая температура эксплуатации в сверхпроводнике представляет собой функцию, зависящую от толщины материала, из которого он изготовлен, или от показателя электрического сопротивления при комнатной температуре.

Чтобы проверить, так ли это, физики создали сверхпроводники из нитрида ниобия. Оказалось, что все эти выводы неверны.

«Мы так и не увидели чёткой тенденции. Это было очень странно, поскольку мы соблюли все условия, когда создавали сверхпроводники», — рассказывает ведущий автор исследования Йачин Иври (Yachin Ivry), чья статья опубликована в журнале Physical Review B.

Чтобы понять, где вступает в силу несоответствие между теорией и практикой, учёные провели эксперимент по выращиванию сверхтонкой плёнки, который должен был дать более точные результаты.

Исследователи решили сохранить один из двух параметров неизменным — толщину материала или поверхностное сопротивление (сопротивление материала на единицу площади). Затем, манипулируя двумя этими параметрами, Иври и его команда замеряли любые минимальные изменения в показателе критической температуры сверхпроводника.

В результате учёные построили точную модель повторяемости параметров и зависимости от неё критической температуры, а по ней вывели универсальную формулу для тонкоплёночных сверхпроводников.

«Эти новые знания применимы для самой широкой сферы физических знаний. Тонкоплёночные материалы, для которых работает наша универсальная формула, особенно интересны с научной точки зрения, поскольку именно они позволяют изучать явление сугубо квантовой природы, известное как переход сверхпроводник-изолятор. Сверхпроводимость представляет собой явление, основанное на коллективном поведении электронов. Поэтому чем меньше толщина сверхпроводника, тем ближе возможность исследования этого коллективного поведения», — говорит Иври.

По словам авторов исследования,

данное открытие поможет создавать суперчувствительные фотоприёмники будущего, а также конструировать сверхпроводящие элементы для квантовых компьютеров.