Трубки диаметром меньше одного микрона (для сравнения толщина человеческого волоса примерно 100 микрон) научились создавать относительно недавно. Изменяя размеры таких трубок, можно управлять некоторыми их свойствами, в частности, способностью пропускать электрический ток в сверхпроводящем состоянии. В качестве объекта исследования был выбран ниобий, так как в «плоском» варианте он хорошо изучен как сверхпроводник.
Технологически на нынешнем уровне изготовить высококачественную однородную по размерам трубку нанометровой толщины всё ещё довольно трудоёмко. Поэтому научная группа под руководством профессора Владимира Фомина смоделировала изменения свойств на специально разработанной компьютерной платформе. Вычисления проводили на суперкомпьютере Дрезденского технического университета. Схема исследования учитывала как геометрию образца, так и физические условия экспериментов: магнитное поле и электрический ток. Физиков интересовало, как сверхпроводник ведёт себя при пропускании электрического тока в присутствии магнитного поля.
Моделирование показало, что при протекании электрического тока через трубку из ниобия, находящуюся в магнитном поле, возникает резкий скачок («пик») напряжения в определённом диапазоне значений магнитного поля. Этот скачок, предположительно, — следствие внезапного появления в трубке «островков», в которых материал теряет свои сверхпроводящие свойства. Потеря некоторой частью образца сверхпроводящих свойств — известный эффект. В плоских структурах, единожды появившись, такие «островки» имеют тенденцию только к росту с повышением магнитного поля и в итоге «захватывают» весь материал. А в трубках наблюдается необычное явление: при дальнейшем увеличении магнитного поля эти «островки» исчезают и весь материал становится вновь сверхпроводящим.
Теоретические и численные методы помогли физикам найти диапазон размеров сверхпроводниковой микротрубки, где её поведение кардинально отличается от пластинки, из которой она свёрнута. Связаны эти различия с тем, что на изогнутой сверхпроводящей поверхности образование дефектов (вихрей) происходит иначе, чем на плоской поверхности. При увеличении магнитного поля там возникает изменение структуры дефектов.
В дальнейшем авторы работы планируют экспериментально проверить выводы, полученные при моделировании.
Обнаруженный скачкообразный переход между разными формами флуктуаций, называемый топологическим переходом, открывает новые перспективы для технологических приложений свёрнутых сверхпроводниковых наноархитектур. На их основе можно создавать высокопроизводительные детекторы и датчики, компоненты накопителей энергии, элементы для осуществления квантовых вычислений и генерации микроволнового излучения.
Результаты опубликованы в журнале «Communications Physics» (doi.org/10.1038/s42005-020-00411-4).
По информации пресс-службы Томского политехнического университета.
