Ученые открыли новый тип сверхпроводников: как это изменит технику, которой мы пользуемся

Новые исследования показали, что существует особый вид сверхпроводников, и он называется сверхпроводником типа III. Об этом пишет Interesting Engineering.

Основы сверхпроводимости

Сверхпроводники — это класс материалов, внутреннее сопротивление которых падает до нуля ниже критической температуры. Электрический ток может сохраняться через сверхпроводники без внешнего источника питания, когда они находятся в этом сверхпроводящем состоянии.

В типичном проводнике электроны в материале испытывают электростатическое отталкивание из-за своего отрицательного заряда. Когда электроны движутся через материал, они рассеиваются на примесях, дефектах или других электронах.

Рассеяние — это сопротивление, с которым электроны сталкиваются со стороны материала, которое является электрическим сопротивлением этого материала, которое очень мало для проводников, но не равно нулю.

Однако в сверхпроводниках механизм немного иной. В обычных сверхпроводниках теория Бардина–Купера–Шриффера (БКШ) описывает механизм, лежащий в основе их сверхпроводящих свойств. Высокоэнергетические электроны — те, что находятся на уровне Ферми, где находятся самые активные электроны материала, — играют решающую роль. Эти электроны сильно взаимодействуют с фононами, которые являются колебаниями в кристаллической решетке материала. Решетка относится к повторяющемуся расположению атомов или ионов (заряженных атомов) в материале. Когда электроны движутся через материал, их отрицательный заряд создает искажения в решетке, притягивая близлежащие положительно заряженные атомы.

Другой проходящий электрон притягивается к нему, создавая косвенное эффективное взаимодействие между двумя электронами, опосредованное решеткой, т. е. фононами. Теперь спаренные электроны движутся через решетку без эффектов рассеяния, наблюдаемых в типичных проводниках. Эти спаренные электроны известны как куперовские пары и вместе ведут себя как единое целое. Когда куперовские пары движутся через материал, они движутся когерентно, в отличие от отдельных электронов, которые движутся хаотично. Когерентное движение куперовских пар означает, что они не рассеиваются на примесях, дефектах или других электронах.

Поскольку материал не оказывает им сопротивления, куперовские пары свободно перемещаются без электрического сопротивления, что приводит к сверхпроводимости. Однако это явление наблюдается только тогда, когда сверхпроводящий материал охлаждается ниже определенной температуры, называемой критической температурой.

Для большинства обычных сверхпроводников критическая температура составляет около –260 градусов по Цельсию или –436 градусов по Фаренгейту.

Сверхпроводники типа I и типа II

Выталкивание магнитного поля, демонстрируемое сверхпроводниками типа I и типа II, — это то, что отличает их. Это явление известно как эффект Мейснера. Хотя сверхпроводники демонстрируют эффект Мейснера при помещении во внешнее магнитное поле, вы можете задаться вопросом, почему они вообще помещаются в него. Ответ на этот вопрос кроется в применении сверхпроводников.

Сверхпроводники обладают этим уникальным свойством нулевого электрического сопротивления, что позволяет им проводить большие количества тока без каких-либо потерь энергии. Большой ток необходим для создания сильного и стабильного магнитного поля. Эти сильные магнитные поля имеют несколько применений, например, в аппаратах МРТ, ускорителях частиц и термоядерных реакторах. Кроме того, вытесненное магнитное поле всегда противодействует приложенному полю, вызывая отталкивание. Это отталкивание можно использовать для магнитной левитации, например, в поездах MagLev.

Эффект Мейснера также помогает экранировать внутреннюю часть сверхпроводников от магнитных полей, что делает их полезными в экранирующих приложениях, таких как квантовые вычисления, где шум вызывает декогеренцию или потерю информации.

Когда магнитное поле находится между нижним и верхним критическими значениями поля, сверхпроводники II типа позволяют магнитному полю проникать в определенные области в виде вихрей. Эти вихри похожи на торнадо, имея ядро ​​и окружающие его сверхтоки. В ядре сверхпроводящее состояние материала разрушается без куперовских пар. Сверхтоки, циркулирующие в ядре, действуют как защитный экран, удерживая приложенное магнитное поле в ядре, тем самым защищая остальную часть материала.

Примерами сверхпроводников II типа являются YBCO (оксид иттрия-бария-меди) и ниобий-титан (NbTi). Новая категория — тип III. Исследователи обнаружили, что сверхпроводники типа III могут быть реализованы таким образом, что образующиеся вихри не имеют ядер. Подобно сверхпроводникам типа II, эти материалы позволяют магнитным полям проникать в форме вихрей. Однако ключевым отличием является то, что вихри не имеют ядер в сверхпроводниках типа III. Кроме того, сверхпроводники типа III характеризуются только одним параметром — глубиной проникновения (λ), который управляет поведением вихрей, определяя глубину, на которую магнитное поле может проникать в материал. Напротив, сверхпроводники типа II требуют рассмотрения двух различных свойств, что делает их описание более сложным.

Нижнее критическое поле сверхпроводников типа III равно нулю при абсолютном нуле (0 Кельвинов или -273,15 градусов Цельсия). Это означает, что нет минимального порога для преодоления, и магнитное поле может проникать немедленно. Поэтому в сверхпроводниках типа III при приложении внешнего магнитного поля мы имеем вихри без сердечника, которые переносят магнитное поле, не разрушая сверхпроводящее состояние в остальной части материала, поскольку они не растут и не расширяются.

На следующих этапах исследователи намерены проверить практическое использование сверхпроводников III типа, особенно их производительность в различных условиях, и то, как сделать их пригодными для коммерческого использования.