Tutkijat havaitsivat korreloitujen häiriöiden lisäävän suprajohtavuutta

Suprajohtavuus on aineen ainutlaatuinen olomuoto, jossa sähkövirta kulkee ilman energiahäviötä. Virheellisissä materiaaleissa se syntyy tyypillisesti hyvin matalissa lämpötiloissa ja kehittyy useissa vaiheissa.

Kansainvälinen tiedemiesryhmä, johon kuului myös HSE MIEM:n fyysikkoja, on osoittanut, että kun materiaalin virheet ovat järjestäytyneet tiettyyn kuvioon satunnaisen sijaan, suprajohtavuutta voi esiintyä korkeammassa lämpötilassa ja se voi ulottua koko materiaaliin.

Tämä löytö voisi auttaa kehittämään suprajohteita, jotka toimivat ilman äärimmäistä jäähdytystä.

Haasteena on, että lähes kaikki suprajohteet toimivat vain alle -140 °C:n lämpötiloissa, mikä rajoittaa niiden käytännön käyttöä. Jotta niistä tulisi käyttökelpoisempia, fyysikot pyrkivät nostamaan niiden käyttölämpötilaa ja parantamaan vakautta.

HSE MIEM:n kvanttimetamateriaalien keskuksen tutkijat ovat yhteistyössä MEPhI:n, MIPT:n ja Brasilian Pernambucon yliopiston kollegoiden kanssa osoittaneet, että suprajohtavuutta voidaan vakauttaa kontrolloimalla virheiden sijoittelua.

Viat ja virheet yleensä häiritsevät elektronien liikettä ja heikentävät suprajohtavuutta, mutta niitä on mahdotonta poistaa kokonaan, varsinkin monikomponenttimateriaaleissa. Näiden epätäydellisyyksien poistamisen sijaan tutkijat ovat ehdottaneet niiden järjestämistä tiettyyn kuvioon. Tämän tyyppistä virhejakaumaa kutsutaan korreloiduksi epäjärjestykseksi.

Virheitä sisältävissä materiaaleissa suprajohtavuus kehittyy tyypillisesti kahdessa vaiheessa. Ensin ilmestyy erillisiä alueita, joissa suprajohtavuus alkaa syntyä. Sitten, lämpötilan laskiessa, nämä alueet yhdistyvät, jolloin virta pääsee kulkemaan koko näytteessä.

Tutkijat ovat nyt mallintaneet kaksiulotteista suprajohdetta, jossa virhejakaumat vaihtelevat – satunnaisesta korreloituneeseen, jossa epäpuhtaudet ovat yhteydessä toisiinsa.

Tulokset osoittavat, että kun materiaalin epäjärjestys on koordinoitua eikä kaoottista, siirtymä tapahtuu välittömästi: suprajohtavuus syntyy samanaikaisesti koko järjestelmässä.

Tutkijat uskovat, että nämä löydökset voisivat auttaa kehittämään ohuita suprajohdekalvoja, joiden rakenteet muistuttavat läheisesti tutkimuksessa käytettyä mallia.

”Mikroskooppisen tason virheiden sijoittelun hallinta voisi mahdollistaa paljon korkeammissa lämpötiloissa – mahdollisesti jopa huoneenlämmössä – toimivien suprajohteiden luomisen. Tämä muuttaisi suprajohtavuuden laboratorioharvinaisuudesta arkipäivän laitteissa käytettäväksi teknologiaksi”, kommentoi Aleksei Vagov.

Aiheesta aiemmin:

Hallita kolmiulotteisen suprajohtavan nanorakenteen ominaisuuksia

Josephson-liitosten käyttö supravirran ohjaamiseen

Kohti topologisia suprajohteita