Физики сумели объяснить так называемый «термоэлектрический парадокс» в сверхпроводниках, остававшийся нерешенным более сорока лет.

Физики из Лаборатории криогенной наноэлектроники Нижегородского государственного технического университета (НГТУ) им. Р.Е. Алексеева совместно со своими британскими коллегами разработали теорию термоэлектрических явлений в сверхпроводниках и подтвердили ее, проведя сверхточные эксперименты. Тем самым им удалось разрешить так называемый «термоэлектрический парадокс», который не поддавался объяснению на протяжении последних 40 лет. Результаты работы опубликованы в журнале Science Advances. 

Термоэлектрические явления возникают, если в различных частях электрической цепи будет разная температура. Например, в электрическом контуре, состоящем из двух проводников, находящихся при разной температуре, в месте их контакта возникнет разность электрических потенциалов (эффект Зеемана) и потечет ток. Эти явления можно использовать для преобразования теплоты в электричество или в измерительных приборах.

(А) биметаллическая сверхпроводящая петля, (В) Добавлена петля для измерения магнитного поля. (С, D, E) Искусственно окрашенные фотографии установки, сделанные с помощью сканирующего электронного микроскопа.

В сверхпроводниках первоначально отрицалось само существование термоэлектрических эффектов, поскольку из-за отсутствия электрического сопротивления в них не могла возникнуть разность потенциалов. Однако в 1944 году академик В. Л. Гинзбург показал, что термоэлектрический ток все же может возникать в неоднородных сверхпроводниках. Обнаружить его можно по создаваемому магнитному полю. 

В 1970-х годах физики теоретически предсказали, что магнитные поля, которые можно измерить, будут возникать в петлях из разных сверхпроводников. Последовавшие эксперименты подтвердили наличие термоэлектрического тока, однако и величина эффекта, и его зависимость от температуры не совпали с теоретическими. Так, к удивлению исследователей, величина эффекта в ряде случаев превышала предсказанное значение в сто тысяч раз! Такое расхождение между теорией и экспериментом получило название «термоэлектрического парадокса», который оставался неразрешенным до настоящего времени.

Команда физиков под руководством профессора Виктора Петрашова, работавшая в колледже Ройял-Холлоуэй Лондонского университета, сумела разработать новую теорию термоэлектрического эффекта в сверхпроводниках, хорошо согласующуюся с экспериментом. Для экспериментальных исследований были изготовлены микроскопические сверхпроводящие биметаллические петли и сверхчувствительные магнитометры на основе современных достижений нанотехнологии. Авторам работы удалось устранить все маскирующие эффект явления. В частности, влияние магнитного поля Земли, из-за которого возникали проблемы в ранних экспериментах. Загадка, державшаяся сорок лет, – разгадана!

Результаты исследования могут стать основой для разработки сверхчувствительных болометров, которые используются для анализа принимаемого излучения.