Сверхпроводник нитрид титана при температуре, на несколько тысячных долей градуса превышающей температуру точки абсолютного нуля, превращается в сверхизолятор — материал с бесконечно высоким электрическим сопротивлением. Как сообщает http://www.wissenschaft.de/, этот факт установил международный коллектив ученых, который также нашел и теоретическое объяснение этому удивительному феномену.
Они исследовали пленку из нитрида титана толщиной в одну миллиардную долю метра. Этот материал в обычных условиях является сверхпроводником: он не обладает измеримым сопротивлением электрическому току. В рамках эксперимента ученые наблюдали, как нитрид титана, представленный в виде неупорядоченной пленки, состоящей из мельчайших сверхпроводящих частиц размером в 40 нанометров (приставка нано означает одну миллиардную часть), при температуре, на 70 милликельвинов (тысячных частей градуса) превышающей точку абсолютного нуля, проявляет исключительно высокое сопротивление. При понижении температуры на 20 милликельвинов сопротивление пленки становилось настолько высоким, что передача тока полностью прекращалась: из обычного изолятора нитрид титана превращался в сверхизолятор.
Исследователи под руководством Валерия Винокура из Argonne National Laboratory (США) нашли объяснение, почему сверхпроводник может переходить в свою противоположность — сверхизолятор. Оба переходных состояния определяются температурой и магнитным полем. «Сверхпроводящая фаза определяется нулевым сопротивлением, в то время как сверхизоляционная фаза проявляется нулевой проводимостью, — объясняет участник исследования Михаил Фистул из Университета Бохума (Германия) на страницах журнала Nature. — Сверхпроводящее состояние может быть нарушено постоянным током, а сверхизоляционное — постоянным напряжением».
Такое изменение физических свойств ученые называют «фазовым переходом», классическим примером которого является превращение воды в лед при нулевой температуре по Цельсию. «Фазовые переходы относятся к наиболее удивительным феноменам, наблюдаемым в природе, — говорит Фистул. — Многие физики мечтают предсказать и наблюдать новый тип фазового перехода». Фистулу и его коллегам посчастливилось: до сих пор физики-теоретики предполагали, что сверхизоляторы могут наблюдаться только при температуре, соответствующей точке абсолютного нуля.
Переходом от изолятора к сверхизолятору управляют квантово-механические эффекты. Носители зарядов, так называемые куперовские пары, состоящие из двух электронов, не могут непосредственно перейти от одной сверхпроводящей частицы к другой. Они должны преодолеть так называемые джозефсоновские связи, и это преодоление возможно только посредством квантово-механического туннельного эффекта. «Каждый из этих джозефсоновских контактов можно рассматривать как микроскопический маятник, — объясняет Михаил Фистул. — Если маятники синхронизируемы, постоянный ток не проходит, и материал превращается в сверхизолятор. При низких температурах вероятность преодоления этих барьеров куперовскими электронами практически отсутствует. Тем не менее воздействие магнитного поля или высокого напряжения может нарушить состояние сверхизоляции».
Справедливости ради следует заметить, что диэлектрические переходы в сверхпроводящих пленках ранее наблюдались и другими экспериментальными группами, а теория Винокура не является единственным объяснением наблюдаемого эффекта — существуют и альтернативные теории этого явления.
