Los físicos Mikhail Feigel'man jefe del laboratorio de nanofísica teórica de MIPT y Lev Ioffe han explicado el efecto inusual en una serie de materiales superconductores prometedores. Utilizando una teoría que desarrollaron previamente, los científicos han relacionado la densidad de portadores superconductores con las propiedades cuánticasde una sustancia.
En el artículo publicado por los científicos en Revisión física B: Física de materia condensada y materiales , discuten los llamados superconductores pseudogapped. El término "gap" aparece en la teoría cuántica de la superconductividad y es una definición del gap característico en un diagrama de distribución de energía de electrones, el espectro de energía. Se hace una distinción entre los superconductores con unbrecha "convencional" y superconductores especiales, que, incluso en su estado normal, demuestran algo similar a una brecha: se llama pseudogap.
pares de electrones y superconductividad
Para comprender qué es una "brecha", debemos analizar brevemente la teoría detrás del término. En la actualidad, no existe un modelo completo que pueda explicar el fenómeno de la superconductividad con todo detalle y que permitanosotros, por ejemplo, para sintetizar un superconductor capaz de trabajar a temperatura ambiente. Sin embargo, un modelo exitoso que se usa con mayor frecuencia hoy en día es la teoría BCS, desarrollada por John Bardeen, Leon Cooper y John Robert Schrieffer.Según la teoría, los pares de Cooper desempeñan un papel clave: dos electrones unidos con espines opuestos. Estos pares se caracterizan, por un lado, por un enlace muy débil entre las partículas que es puramente de naturaleza cuántica en la clásicaLos electrones teóricos tienen la misma carga y deberían repelerse entre sí, y por otro lado porque no interactúan con la red cristalina y, por lo tanto, se mueven libremente dentro de una sustancia y no pierden energía en las colisiones. Si un metal se enfría a una temperaturadondee el movimiento térmico de las partículas no impide la formación de pares de Cooper, estos pares pueden moverse sin pérdida de energía y, por lo tanto, hacer que toda la muestra alcance su estado superconductor.
La formación de pares de Cooper altera no solo las propiedades eléctricas de una sustancia en su conjunto, sino también la distribución de energía de electrones, el espectro de energía. El acoplamiento de los pares da como resultado una brecha característica, o pseudogap, dependiendo de las circunstancias.la sustancia es un superconductor, y después de enfriar a temperatura crítica, se alcanzó la superconductividad al mismo tiempo que se formaron los pares de Cooper, se llama brecha. Sin embargo, si esto ocurre en el diagrama del espectro electrónico después del enfriamiento, pero la superconductividad aún noalcanzado, se utiliza el término pseudogap lo que significa que no es una brecha "verdadera", y su formación no está vinculada al inicio de la superconductividad. Si esta sustancia se enfría aún más, se convertirá en un superconductor y la brecha en su espectroaumentará: su valor incluirá tanto el pseudogap como la brecha superconductora misma. Las propiedades de estos superconductores son considerablemente diferentes a las de los superconductores convencionales.
Los superconductores con un espacio normal encajan bien con la teoría BCS, que vincula explícitamente los pares de Cooper con la formación de un espacio en un diagrama de distribución de energía. Según esta teoría, la densidad de corriente superconductora es directamente proporcional a la magnitud del espacio superconductor: ρs ~ Δ, cuantos más pares de Cooper se formen por unidad de volumen, mayor será la brecha en el espectro de energía, es decir, el tamaño de la brecha.
Los superconductores con un pseudogap no encajan con la teoría BCS, pero pueden describirse utilizando la teoría propuesta anteriormente por Mikhail Feigel'man y Lev Ioffe y sus colegas. En su nuevo artículo, los científicos usaron su teoría para calcular eldependencia de la densidad de corriente superconductora del ancho de pseudogap para un superconductor pseudogapped.
La clave está en el trastorno
El estudio de la estructura de los superconductores pseudogaptados a nivel microscópico demostró que estos materiales están muy desordenados. Esto significa que sus átomos no están dispuestos en una red cristalina perfecta, o la estructura de esta red está fuertemente deteriorada. Ejemplos de superconductores pseudogapados dados por elLos autores del nuevo artículo son películas delgadas de nitruro de titanio en el que la red cristalina está deteriorada en muchos lugares y óxido de indio que puede ser completamente amorfo, como el vidrio.
El trastorno juega un papel clave porque la transición a un estado superconductor no ocurre al mismo tiempo que la formación de pares de Cooper. Los electrones que están unidos entre sí en estos materiales aparecen antes de que la resistencia eléctrica desaparezca debido a las numerosas variaciones en elLa estructura microscópica de la sustancia del orden ideal puede impedir un par de Cooper, que en cristales ordenados se movería libremente sin interferencia.
Debe enfatizarse que los pares de Cooper en un superconductor pseudogaptado no pueden describirse como inmóviles. Como resultado de los efectos cuánticos, su comportamiento es un poco más complejo: obedeciendo el principio de incertidumbre, no se congelan inmóviles en un solo lugar, sino que "se extienden"sobre una región bastante grande docenas de distancias interatómicas, pero finita. Si pudieran moverse, esta región cubriría toda la sustancia: la siguiente ilustración ayudará a comprender mejor el proceso.
conclusión
Deducir los parámetros eléctricos de los superconductores pseudogaptados a partir de las propiedades cuánticas es importante tanto desde un punto de vista fundamental los científicos están comenzando a tener una mejor comprensión general de los superconductores como desde un punto de vista práctico. Los investigadores señalan que el uso de óxido de indio, untípico superconductor pseudointerrumpido, ya ha sido posible crear un dispositivo cuántico superconductor que se puede utilizar como componente prototipo para una computadora cuántica.
Habiendo considerado el movimiento de los pares de Cooper en una sustancia con diversos grados de desorden, los científicos dedujeron la dependencia teórica de la densidad de los pares de Cooper ρs en la sustancia en el ancho del pseudogap. Esta es una característica importante, ya que es inversamente proporcional ala inductancia de la película los materiales descritos se obtienen en forma de película en el estado superconductor. Se necesitan películas como esta con alta inductancia y resistencia cero para producir qubits, las unidades fundamentales de los dispositivos de computación cuántica.
En los superconductores convencionales, la dependencia de la densidad de los pares de Cooper en el ancho del pseudo intervalo es lineal ρs ~ Δ, sin embargo, en las sustancias de prueba la dependencia es cuadrada ρs ~ Δ2. Este hecho es fácil de verificar experimentalmente en unestudio más detallado y, si eso sucede, la teoría desarrollada previamente por los autores recibirá más confirmación.
Los autores desean agradecer a Benjamin Sacepe por las discusiones útiles mientras escribían el documento. El estudio fue apoyado por una subvención de la Russian Science Foundation.
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Materiales proporcionado por Instituto de Física y Tecnología de Moscú . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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