Мал. 1. Фазова діаграма стану надпровідників 1-го і 2-го роду, що показує, як змінюються фази надпровідника при зміні температури і індукції зовнішнього магнітного поля. Мейснеровському стан відповідає сверхпроводящей фазі, коли силові лінії магнітного поля не можуть проникнути в речовину. Змішаний або вихровий стан означає співіснування надпровідності і нормальних ненадпровідний тонких ниток, витягнутих уздовж силових ліній магнітного поля. Такі нитки називають вихорами Абрикосова, або квантовими вихорами (див. Подробиці в тексті). Малюнок Юрія Єріна
Японські вчені продемонстрували можливість використання надпровідного стану речовини як стійкої і стабільної магнітної пастки для нейтральних атомів, зокрема бозе-ейнштейнівського конденсату. Принцип роботи їх пристрою спирається на особливості механізму проникнення магнітного поля в деякі надпровідники.
Коли мова заходить про практичне використання явища надпровідності, то в першу чергу говорять про створення дуже сильних магнітів, електричних кабелів і надчутливих детекторів магнітного поля - СКВИДов. В даний час сфера застосування надпровідників значно розширилася. Крім усього іншого їх починають використовувати як базові елементи детекторів одиничних фотонів інфрачервоного випромінювання; на основі надпровідної плівки вчені пропонують реєструвати гравітаційні хвилі; надпровідна смужка здатна з високою ефективністю і точністю детектувати енергію молекул. Нарешті, тривають роботи над створенням на основі надпровідного джозефсоновские переходу (контакту двох надпровідників, розділених тонким шаром нормального металу або діелектрика) основного елемента квантового комп'ютера - кубіта. Існують і інші проекти, де застосовується або планує застосовуватися надпровідність матеріалів. Про один з них і піде мова.
Надпровідники 1-го і 2-го роду
Для початку нагадаємо, що надпровідність - це нульовий опір речовини і його ідеальний диамагнетизм, що полягає в виштовхуванні і непроникнення магнітного поля всередину речовини. Якщо бути дуже коректним, то магнітне поле все-таки проникає в надпровідник. Але глибина цього проникнення надзвичайно мала і становить в кращому випадку (для деяких речовин) близько 100 нм. В такому тоненькому шарі збуджуються надпровідні струми, які допомагають надпровідники екранувати зовнішнє магнітне поле і не давати йому заходити глибше в матеріал. В цьому і полягає причина ідеального діамагнетизму або, як ще це явище називають, ефекту Мейсснера-Оксенфельда. Стан ідеального діамагнетизму надпровідника в науковій літературі називають також мейснеровському, а екранують надпровідні струми - мейснеровському.
Якщо при заданій температурі почати посилювати магнітне поле, то при деякому значенні його індукції Bc (критичне поле) надпровідність різко перестає існувати, так як мейснеровському струми вже не здатні захистити надпровідник від вторгнення зовнішнього магнітного поля. Речовина з надпровідного стану переходить в нормальний (рис. 1). Матеріали, які поводяться подібним чином, називають сверхпроводниками першого роду. До надпровідників 1-го роду відносяться всі надпровідні елементи періодичної таблиці Менделєєва, крім ніобію і ванадію.
Мал. 2. Проникнення магнітного поля в надпровідник 2-го роду відбувається у вигляді квантових вихорів - мікроскопічних нормальних областей (виділені блакитним кольором), оточених надпровідними циркулюючими струмами. Простір між вихорами є надпровідним. По ньому протікають екранують мейснеровському струми. Малюнок з сайту nauka.relis.ru
У надпровідниках 2-го роду руйнування надпровідності йде більш складним шляхом і відбувається в два етапи (рис. 1). Поки індукція магнітного поля не перевищує певної межі, що позначається як Bc1 і іменованого «нижнє критичне поле», надпровідник - ідеальний діамагнетик, тобто знаходиться в мейснеровському стані. Після того як магнітне поле «переступило» Bc1. надпровідники стає енергетично вигідно впускати його в себе у вигляді своєрідних мікроскопічних «ниток» (характерний розмір порядку 100 нм), витягнутих уздовж силових ліній зовнішнього поля. Чим більше індукція поля, тим більше цих ниток буде в надпровіднику. При великому збільшенні ці утворення являють собою вихори, ядра яких є ненадпровідний, нормальними, а навколо них протікають циркулюючі надпровідні струми, які екранують нормальну область вихру (рис. 2).
Існування вихорів передбачив в 1957 році радянський фізик Олексій Абрикосов. Він же показав, що вихори є квантовими об'єктами в тому сенсі, що несуть в собі як би одну силову лінію зовнішнього магнітного поля, або квант магнітного потоку Ф0 = h / 2 e = 2,07 · 10 -15 Тл · м 2. З його розрахунків також випливало, що квантові вихори повинні утворювати трикутну вихрову решітку (рис. 3). Такий стан надпровідника 2-го роду назвали змішаним, або вихровим.
Мал. 3. Вид зверху трикутної вихрової решітки Абрикосова в надпровіднику 2-го роду. Чорними заповненими колами показані нормальні області вихрів. Малюнок з сайту elementy.ru
Через 10 років після пророцтва Абрикосова німецькі вчені в надпровідний свинці отримали перше зображення трикутної решітки вихорів.
Якщо ж при заданій температурі продовжувати збільшувати індукцію магнітного поля до якогось значення Bc2 (верхнє критичне поле), то вихорів стане настільки багато, що їх ядра почнуть перекриватися, і вони заповнять весь обсяг речовини. Як результат, надпровідник з змішаного стану перейде в нормальний.
В даний час надпровідність 1,5-го роду знайдена тільки в дибориде магнію. Вчені припускають, що до надпровідників 1,5-го роду слід відносити і железосодержащий надпровідник Ba0,6 K0,4 Fe2 As2. проте поки що ця гіпотеза не знайшла свого експериментального підтвердження.
Термомагнітна нестійкість надпровідника 2-го роду
Описане вище змішане стан надпровідників 2-го роду кілька ідеалізовано. По-перше, вихори можуть рухатися в надпровіднику. Їх рух виникає через те, що в надпровідних областях між вихорами протікають екранують мейснеровському струми. Оскільки кожен вихор несе в собі магнітний потік, то на нього з боку струму починає діяти сила, математично (за формулою) нагадує силу Лоренца, що діє на рухомий заряд. Ця лоренцеподобная сила змушує вихри зміщатися.
По-друге, трикутна вихрова решітка реалізується лише для дуже чистого надпровідного речовини, без структурних вад. Насправді ж надпровідники 2-го роду в тій чи іншій мірі неоднорідні за своїм внутрішнім будовою: в них існують межі гранул, домішки, пори і т. П. Подорожуючи по надпровідники, вихори можуть застрявати або закріплюватися на таких дефектах. Такі «пришпилені» вихори називаються запіннінгованнимі, а саме явище «прішпіліванія» отримало назву пиннинг. Рівновага між лоренцеподобной силою і силою піннінга визначає стійке положення вихорів, яке може виявитися зовсім не у вигляді трикутної періодичної решітки.
На початку 90-х років з появою високоразрешающіх магнитооптических мікроскопів вчені почали активно досліджувати виявлене ще в 1967 році, явище дуже незвичайного проникнення магнітного поля в надпровідники у вигляді деревовидних або розгалужених нормальних (ненадпровідний) структур, що мають макроскопічні розміри. Особливо добре деревовидні освіти проявляються в тонких плівках (рис. 4). Пізніше така поведінка надпровідника 2-го роду в магнітному полі вчені назвали термомагнитной нестійкістю.
Мал. 4. Магнітооптичні зображення деревоподібних розгалужених структур в тонких плівках YBaCuO при температурі 4,2 К (a), в MgB2 при температурі 3,8 К (b) і 10 К (c). На малюнку (а) темні області відповідають нормального стану YBaCuO; на малюнках (b) і (c) нормальні ділянки показані у вигляді світлих областей. Зображення з огляду E. Altshuler і T. H. Johansen в журналі Rev. Mod. Phys.
Численні дослідження показують, що в разі надпровідних плівок виникнення термомагнитной нестійкості відбувається не вище певної температури, яка залежить від матеріалу надпровідника. Наприклад, для ніобію ця температура дорівнює 7 К. Вище неї термомагнітна нестійкість в надпровідний ніобії ніколи не спостерігалася. Незважаючи на велику кількість експериментальних даних, вчені не мають закінченої кількісної теорією цього явища. Дослідники сходяться лише в тому, що термомагнітна нестійкість, швидше за все, виникає з двох причин: 1) рух незапіннінгованних вихорів супроводжується виділенням теплоти, що викликає локальне збільшення температури в місці їх проникнення; 2) збільшення температури сильно зменшує силу піннінга. Це сприяє подальшому переміщенню вихорів. У підсумку вони зливаються і утворюють химерні макроскопічні структури. Весь процес відбувається дуже швидко, тому вчені часто говорять ще, що магнітний потік лавиноподібно проник в плівку.
Магнітна пастка для БЕК
Бозе-ейнштейнівська конденсація речовини відбувається при його дуже сильному охолодженні (значно нижче 1 К, фактично поблизу абсолютного нуля). Сам по собі БЕК представляє для вчених великий науковий інтерес як система атомів, в якій при таких низьких температурах починають проявлятися квантові ефекти. Щоб встигнути в достатній мірі вивчити властивості БЕК, його необхідно утримувати в спеціальних пастках. І хоча атоми за своїм заряду нейтральні, більшість з них через особливості зовнішніх електронних оболонок є маленькі магніти, які можна утримувати за допомогою магнітних полів. Для цього вчені створюють таку конфігурацію силових ліній, щоб з'явився локальний мінімум індукції сумарного магнітного поля. Атоми БЕК сприймають цей мінімум як енергетичну яму з непроникними і гладкими стінами, куди вони (атоми) падають і не можуть потім швидко з неї вибратися (див. Також Java-додаток). Простий приклад магнітної пастки - конструкція з двох паралельних кілець з протилежно спрямованим струмом.
Окремо варто сказати про термомагнитной нестійкості плівки. Для ніобію критична температура Tc (температура, при якій відбувається перехід з нормального стану в надпровідний, або навпаки) становить 9 К. Температура, нижче якої можуть виникати деревовидні структури, - 7 К. Виходить, що температурний інтервал, в якому вихрова решітка плівки ніобію має передбачувану (трикутну) форму, дуже маленький - всього 2 К. звідси виникає проблема температурного контролю: надто сильне охолодження може дестабілізувати магнітну пастку - її магнітне поле через непередбачувані деревовидних структур в плівці, не буде стійко і не матиме бажаний мінімум. Однак, як продемонстрували японські вчені, при певних співвідношеннях магнітних полів термомагнітна нестійкість може і не бути перешкодою для стабільності магнітної пастки. Але про це нижче.
Здавалося б, магнітна пастка повинна володіти стабільністю лише в дуже вузькому температурному інтервалі від 7 до 9 К, в якому плівка знаходиться в надпровідного стану і в ній немає передумов для виникнення термомагнитной нестійкості (див. Вище). Однак японські вчені встановили, що при температурі нижче 7 До існують області значень індукції зовнішніх магнітних полів Bi і Bm. при яких пастка спокійно утримує БЕК (рис. 6).
Мал. 6. Кордон між областями, де БЕК атомів рубідію утримувався (trapping region) магнітної пасткою і де не утримувався (no-trapping region) в залежності від температури Tm і включається другим магнітного поля Bm. Трикутники. квадрати і кола різних кольорів - це експериментальні дані. Наприклад, для даних, позначених червоним колом. індукція магнітного поля Bi. яке включається першим, фіксувалася на рівні 1,5 мТл. Малюнок з обговорюваної статті в Phys. Rev. Lett.
Як вважають дослідники, «вододіл», який визначає, де магнітна пастка працює, а де ні, демонструє кордону термомагнитной нестійкості. Іншими словами, якщо БЕК утримується магнітним полем при температурі нижче 7 К, то лавиноподібного проникнення магнітного потоку в плівку і формування в ній деревовидних структур не відбувається. Це говорить про те, що критерій термомагнитной нестійкості в плівці визначається не тільки температурою, але і магнітним полем. Втім, фахівцям, які займаються вивченням цього явища, це вже було відомо раніше, так само як і залежність освіти деревовидної структури від ширини плівки.
Важливість даної роботи полягає в тому, що вона показує можливість використання надпровідних плівок як хороших і надійних пасток для атомів (правда все-таки з істотною оглядкою на особливості поведінки надпровідника в магнітному полі).