Физики из НИЯУ МИФИ, МФТИ и НИУ ВШЭ нашли способ управлять сверхпроводящими свойствами квазикристаллов с помощью температуры. Оказывается, магнитные вихри в этих необычных материалах могут перестраиваться из хаотичного узора в идеальную решетку просто при нагреве или охлаждении. Это открытие может упростить создание управляемых сверхпроводящих устройств.
Квазикристаллы — это материалы с упорядоченной, но непериодической атомной структурой. В отличие от обычных кристаллов, они имеют типы симметрии, которые раньше считались невозможными. В 1982 году израильский ученый Дан Шехтман открыл их, изучая сплавы алюминия с марганцем, а в 2011 году получил за это Нобелевскую премию. Сегодня синтезированы сотни квазикристаллов, и даже найдены природные образцы в метеоритах на территории России.
Долгое время считалось, что квазикристаллы не могут быть сверхпроводниками из-за низкой проводимости. Но в 2018 году этот миф развеялся: сверхпроводимость обнаружили в сплаве алюминия, цинка и магния при температуре около 0,05 К. А в 2024 году нашли еще один сверхпроводящий квазикристалл в системе Ta-Te уже при 1 К. Ученые поняли: апериодические структуры не мешают сверхпроводимости, а создают свои уникальные условия.
В сверхпроводниках при помещении в магнитное поле возникают вихри Абрикосова — квантовые нити магнитного потока. В обычных материалах они выстраиваются в правильную треугольную решетку. В квазикристаллах же атомная структура непериодична, и она создает естественные «ловушки» для вихрей.
Российские физики теоретически показали, что поведение этих вихрей зависит от температуры. При сверхнизких температурах вихри застревают в структурных дефектах квазикристаллической решетки и повторяют ее причудливый апериодический узор. Но стоит повысить температуру — вихри вырываются из ловушек и перестраиваются в классическую треугольную решетку, как в обычных сверхпроводниках.
Этот эффект — по сути, термический переключатель — позволяет управлять структурой вихрей и макроскопическими свойствами сверхпроводника просто изменением температуры. Вихри Абрикосова влияют на то, как сверхпроводник пропускает ток и взаимодействует с магнитным полем. Возможность переключать их состояние открывает путь к созданию перестраиваемых сверхпроводящих элементов для квантовых технологий, чувствительных датчиков и устройств нового поколения.
В перспективе ученые планируют проверить свои теоретические предсказания в экспериментах на реальных квазикристаллических образцах.
Читайте также: Шум в полупроводниках сделает носимую электронику компактнее и энергоэффективнее