Un gruppo internazionale di scienziati, tra cui un ricercatore di Skoltech, ha completato uno studio sperimentale e teorico sulle proprietà mostrate da superconduttori fortemente disordinati a temperature molto basse. Dopo una serie di esperimenti, gli scienziati hanno sviluppato una teoria che descrive efficacemente le anomalie precedentemente inspiegabili riscontrate nei superconduttori. I risultati dello studio sono stati pubblicati in Fisica della natura .

Il fenomeno della superconduttività fu scoperto nel 1911 da un gruppo di scienziati guidati dal fisico olandese Heike Kamerlingh Onnes. La superconduttività significa la completa scomparsa della resistenza elettrica in un materiale quando viene raffreddato a una temperatura specifica, con conseguente forzatura del campo magnetico fuori dal materiale. Di particolare interesse per gli scienziati sono i superconduttori fortemente disordinati i cui atomi non formano reticoli cristallini. Dal punto di vista pratico, i superconduttori fortemente disordinati hanno un grande potenziale per lo sviluppo di computer quantistici.

A temperature molto basse, i superconduttori presentano un'anomalia che non può essere spiegata nei termini della teoria classica della superconduttività. Questa anomalia riguarda la dipendenza dalla temperatura del campo magnetico massimo che è ancora coerente con il comportamento superconduttivo del materiale. Questo campo massimo, chiamato anche campo "critico superiore", aumenta sempre al diminuire della temperatura del campione, mentre nei normali superconduttori, quasi smette di crescere a temperature diverse volte inferiori alla temperatura di transizione del superconduttore. Per esempio, nel caso di film di ossido di indio amorfo utilizzati in questo studio che diventano superconduttori a 3 K (-270 ^o C), ci si aspetterebbe che il campo magnetico critico smetta di crescere a temperature inferiori a 0,5 K. Tuttavia, l'esperimento indica che il campo critico continua a crescere anche se la temperatura scende ai valori più bassi possibili (circa 0,05 K in questo esperimento), e la sua crescita non mostra segni di saturazione.

Scienziati di Skoltech, Istituto Landau per la fisica teorica, Istituto Neel (Francia), Il Weizmann Institute of Science (Israele) e l'Università dello Utah (USA) hanno dimostrato che l'anomalia è causata dalle fluttuazioni termiche dei vortici quantistici di Abrikosov. Il campo magnetico che penetra nel superconduttore disordinato ha la forma di vortici, cioè tubi, ciascuno portatore di flusso magnetico pari al valore fondamentale hc/2e, dove h è la costante di Plank, c è la velocità della luce, ed e è la carica dell'elettrone.

Allo zero assoluto, questi vortici sono immobili e fissati rigidamente alla struttura dell'atomo, mentre qualsiasi temperatura diversa da zero porta a fluttuazioni dei tubi del vortice intorno alle basi domestiche. La forza di queste fluttuazioni cresce con la temperatura, e questo si traduce in una diminuzione del campo magnetico che può essere applicato a un materiale senza alterare le sue proprietà superconduttive.

"Abbiamo sviluppato una teoria dell'effetto delle fluttuazioni termiche dei vortici di Abrikosov sul valore del campo critico superiore, che ci ha aiutato a stabilire una relazione tra due diversi tipi di misurazioni, "dice Mikhail Feigelman, ricercatore principale presso Skoltech e vicedirettore presso l'istituto Landau per la fisica teorica.

Ottenere informazioni sul comportamento dei superconduttori fortemente disordinati è essenziale per il loro utilizzo nei bit quantistici superconduttori, elementi chiave dei computer quantistici. Da qualche anno è apparso evidente che molteplici applicazioni in questo campo richiedono elementi molto piccoli con elevata induttanza (inerzia elettrica), ei superconduttori fortemente disordinati sono la soluzione migliore per tali elementi di "super-induttanza". "La comprensione del comportamento di questi materiali aiuterà a creare bit quantistici superconduttori altamente isolati dal rumore esterno, "dice Feigelmann.