Коллектив ученых из Томского политехнического университета и Института интегративных нанонаук (входит в Дрезденский институт физики твердого тела и материаловедения Ассоциации Лейбница) под руководством профессора Владимира Фомина обнаружил новые необычные свойства сверхпроводящих материалов на примере ниобия. Исследование показало, что эти свойства зависят от геометрической формы образца.

Ученые работали с ниобием в виде сверхтонкой пластинки, свернутой в трубку микронного диаметра (толщина человеческого волоса — 100 микрон). Результаты исследования опубликованы в журнале Communications Physics (IF: 4,664; Q1), принадлежащем всемирно признанной группе The Nature Research Journals.

Сверхпроводники — это материалы, способные проводить электричество без сопротивления. Сверхпроводимость входит в число наиболее выдающихся открытий XX века. Существуют прототипы квантовых компьютеров, использующие сверхпроводниковые элементы для хранения информации. Сверхпроводники также используют для создания мощного магнитного поля, к примеру, в проекте Международного экспериментального термоядерного реактора ITER.

«Эта работа фундаментальная. Мы исследовали теоретическими и численными методами, как изменятся свойства материала, когда он находится в свернутом виде, и нашли диапазон размеров, в которых поведение сверхпроводниковой микротрубки кардинально отличается от пластинки, из которой она свернута», — говорит один из авторов статьи, доцент Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов ТПУ Роман Резаев.

Ученые работали с трубками диаметром меньше 1 микрона. Такие трубки относятся к самоорганизованным свернутым структурам.

«Ученые относительно недавно научились их создавать, в частности, в Институте интегративных нанонаук, который возглавляет профессор Оливер Шмидт. А интересны они тем, что посредством изменения размеров мы получаем возможность управлять свойствами материалов. Технологически на нынешнем уровне сделать высококачественную однородную по размерам трубку таких размеров все еще достаточно трудоемко, поэтому нам нужен был инструмент для моделирования свойств материала в новой геометрии. Такое моделирование существенно ускоряет процесс поиска размеров самоорганизованных свернутых структур, когда они обнаруживают новые интересные свойства, в частности, нас интересовало, как сверхпроводник ведет себя при пропускании электрического тока в присутствии магнитного поля», — говорит Роман Резаев.

В своей работе ученые использовали компьютерную платформу, разработанную для моделирования сверхпроводниковых структур. Вычисления исследователи проводили на суперкомпьютере Дрезденского технического университета.

«Мы разработали схему компьютерного моделирования, включающую как геометрию образца, так и физические условия экспериментов: магнитное поле и электрический ток. Далее мы применили ее к ниобию, который в плоской геометрии хорошо изучен как сверхпроводник. Однако при протекании электрического тока через трубку из ниобия, находящуюся в магнитном поле, как показывает моделирование, возникает резкий скачок («пик») напряжения в определенном диапазоне значений магнитного поля», — говорит соавтор статьи, научный сотрудник Института интегративных нанонаук Екатерина Смирнова.

Этот скачок является следствием внезапного появления в трубке «островков», в которых материал теряет свои сверхпроводящие свойства.

«Возможная потеря некоторой частью образца сверхпроводящих свойств является известным эффектом. В плоских структурах, единожды появившись, такие «островки» имеют только тенденцию к росту с повышением магнитного поля и в итоге «захватывают» весь материал. А в самоорганизованных свернутых трубках мы наблюдаем необычный эффект: при повышении магнитного поля эти «островки» исчезают, и весь материал становится вновь сверхпроводящим», — поясняет Роман Резаев.

В дальнейшем ученые планируют подтвердить результаты моделирования экспериментально.

«Сейчас мы продемонстрировали принципиальную возможность моделирования и поиска новых свойств материалов в специфической геометрии. Экспериментальный метод исследования для такого случая дополняется важным и перспективным методом численных экспериментов», — добавляет ученый.