Координированное расположение дефектов, как показано в новом исследовании, способствует повышению сверхпроводимости.
Понимание магнетизма
Магнетизм — фундаментальная сила природы, играющая решающую роль как в природе, так и в современных технологиях. Он определяет поведение материалов на атомном уровне и необходим для работы бесчисленных устройств в нашей повседневной жизни, включая хранение данных, датчики, беспроводную зарядку, системы звукозаписи и воспроизведения и многое другое.
Понимание истоков магнетизма, глубоко укоренённого в квантовой механике, позволяет учёным и инженерам манипулировать магнитными свойствами для дальнейших инновационных приложений и новых технологий.
Открытие в физике
Группа физиков из исследовательской группы COMMIT в Университете Антверпена в Бельгии разработала методологию, которая раскрывает микроскопические истоки магнетизма в материалах, особенно в избранных атомарно тонких системах, более известных как 2D-материалы.
Прогресс, опубликованный в Physical Review Letters, предлагает беспрецедентное понимание того, как магнитные взаимодействия возникают и развиваются на квантовом уровне.
Магнетизм возникает из квантово-механических свойств электронов, в частности их собственного спина и орбитального углового момента. В атомах электроны занимают орбитали — области пространства, определяемые квантовыми числами, такими как s, p, d и f орбитали, каждая из которых имеет определённую форму и ёмкость. Магнетизм возникает в основном из-за неспаренных электронов в d- и f-орбиталях, которые более пространственно расширены и позволяют более сильные взаимодействия между атомами.
Сверхпроводимость и дефекты
Международная группа учёных, включая физиков из ВШЭ МИЭМ, продемонстрировала, что при определённом расположении дефектов в материале сверхпроводимость может возникать при более высокой температуре и распространяться по всему материалу. Это открытие может помочь в разработке сверхпроводников, работающих без необходимости экстремального охлаждения.
Исследование опубликовано в Physical Review B.
Сверхпроводимость — это состояние, при котором электрический ток протекает через материал без каких-либо потерь энергии. Сегодня сверхпроводники используются в таких приложениях, как МРТ-аппараты, где сверхпроводящие катушки генерируют сильные магнитные поля.
В будущем сверхпроводники могут быть интегрированы в системы, требующие передачи энергии без потерь и высокоскоростной обработки сигналов. Проблема заключается в том, что почти все сверхпроводники функционируют только при температурах ниже -140 °C, что ограничивает их практическое использование.
Учёные из Центра квантовых метаматериалов ВШЭ МИЭМ в сотрудничестве с коллегами из МИФИ, МФТИ и Федерального университета Пернамбуку в Бразилии показали, что сверхпроводимость можно сделать более стабильной, контролируя размещение дефектов.
Дефекты — это отклонения от идеальной кристаллической решётки материала, такие как избыточные или отсутствующие атомы, примеси и искажения. Они обычно нарушают движение электронов и ослабляют сверхпроводимость, но полностью устранить их невозможно, особенно в многокомпонентных материалах.
Вместо устранения этих несовершенств учёные предложили расположить их особым образом. Такой тип распределения дефектов известен как коррелированный беспорядок.
«Представьте толпу людей, движущихся хаотично в разных направлениях — это классический пример беспорядка. Теперь представьте ту же толпу, движущуюся по сложной, но скоординированной схеме, как массовый танец — это иллюстрирует коррелированный беспорядок», — говорит Алексей Вагов, профессор Тихоновского московского института электроники и математики ВШЭ.
«В сверхпроводниках оказывается, что такой порядок внутри беспорядка заставляет дефекты фактически усиливать сверхпроводимость», — добавляет он.
В материалах с дефектами сверхпроводимость обычно развивается в два этапа. Сначала появляются изолированные области, где сверхпроводимость начинает зарождаться. Затем, по мере понижения температуры, эти области соединяются, позволяя току течь по всему образцу.
Учёные смоделировали двумерный сверхпроводник с различным распределением дефектов — от случайного до коррелированного, где примеси соединены между собой. Результаты показывают, что, когда беспорядок в материале координирован, а не хаотичен, переход происходит немедленно: сверхпроводимость возникает одновременно по всей системе.
Учёные считают, что эти результаты могут помочь в разработке тонких сверхпроводящих плёнок, структура которых близко напоминает модель, использованную в исследовании. При синтезе таких плёнок можно заранее контролировать размещение дефектов, что полезно как для проверки теории, так и для создания материалов с заданными свойствами.
«Контроль размещения дефектов на микроскопическом уровне может позволить создать сверхпроводники, работающие при гораздо более высоких температурах — потенциально даже при комнатной температуре. Это превратило бы сверхпроводимость из лабораторной редкости в технологию, используемую в повседневных устройствах», — комментирует Вагов.