Сверхпроводникам найдена альтернатива

Открытие японских ученых вновь всколыхнуло интерес в научном мире к "холловским" сверхпроводникам. В них отсутствие сопротивления основано на так называемом "квантовом эффекте Холла". Прежде такие проводники считались неперспективными — для их создания требовалось много энергии. Но данное исследование показало, что без всего этого можно обойтись.

Фото:

Следует заметить, что с самого начала, то есть с того момента, когда 8 апреля 1911 года голландский физик-экспериментатор Хейке Камерлинг-Оннес выяснил, что при сильном охлаждении металлов их сопротивление резко падает и становится равно нулю, что знаменовало собой рождение теории о низкотемпературной сверхпроводимости, при применении на практике у этого подхода уже была альтернатива. Напомню, что в 1879 году американский физик Эдвин Холл выяснил, что при помещении золотой пластинки в магнитное поле (так, что оно прилагалась перпендикулярно плоскости самой пластинки) на разных ее концах возникает разность потенциалов.

Это открытие, получившее название "эффект Холла", долгое время не привлекало внимания ученых, желающих построить линии электропередач, по которым энергия могла бы передаваться без всяких потерь. Однако уже в 1980 году физик Клаус фон Клитцинг сначала теоретически обосновал, а потом и экспериментально доказал, что при приложении к проводнику очень сильного магнитного поля в нем наблюдается так называемый "квантовый эффект Холла" (за что совместно с Г. Дордой и М. Пеппером через пять лет получил Нобелевскую премию по физике).

Сущность этого явления заключается в следующем: при низких температурах на поверхности проводника вещество переходит в такое состояние, которое называется "двумерный электронный газ" (это такой электронный газ, то есть совокупность узловых электронов кристаллической решетки проводника, частицы которого могут двигаться лишь в двух направлениях). И вот, исследуя протекания тока в этом двумерном газе при приложении магнитного поля, Клитцинг обнаружил, что на поверхности проводника образуются многочисленные участки с неизменным поперечным сопротивлением (он назвал их "плато"). Но, что самое интересное, сопротивление на этих участках практически равнялось нулю.

Еще раз хочу подчеркнуть, что здесь речь идет вовсе не о низкотемпературной сверхпроводимости, хотя охлаждение и магнитное поле в эксперименте Клитцинга тоже присутствовали. Однако механизм падения сопротивления был совсем иной — классическая низкотемпературная сверхпроводимость основана на так называемом "эффекте Мейснера". А его сущность заключается в том, что при охлаждении сверхпроводника, находящегося во внешнем постоянном магнитном поле, в момент перехода в сверхпроводящее состояние магнитное поле полностью вытесняется из его объема. Таким образом движение электронов уже больше ничем не тормозится.

В случае же с "квантовым эффектом" Холла дела обстояли несколько иначе. Здесь возникновение "плато" с практически нулевым сопротивлением Клитцинг объяснял тем, что изменяется характер движения самих электронов. При таких жестких условиях они начинали вести себя как частицы с нулевой массой. Из-за этого изменяется их взаимодействие с намагниченными ионами полупроводника, из-за чего электроны также перестают ими тормозиться.

Тем не менее, хоть альтернатива классическим сверхпроводникам и появилась примерно тогда же, когда и сами сверхпроводники,однако на практике ее не спешили реализовывать — все-таки "холловский" проводник работает только при сверхнизких температурах и после приложения к ним магнитного поля, где-то в 100 тысяч раз превышающего силу такового нашей Земли. Ну, а энергии для создания таких условий нужно столько, что даже возникшая сверхпроводимость ее не окупит. Именно поэтому-то от мысли о том, чтобы реализовать эту идею на практике, почти сразу же отказались. Тем более, что в 1986 году Карл Мюллер и Георг Беднорц открыли новый тип сверхпроводников, получивших название высокотемпературных (они работали при температурах от 36 до 166 градусов Кельвина).

Однако часть ученых считает, что от использования "холловских" проводников отказались все-таки зря — их возможности еще до сих пор не до конца изучены. Поэтому исследования продолжались, и недавно японские ученые из Института физико-химических исследований RIKEN и Токийского университета представили свою работу, посвященную данному вопросу. Физики говорят, что возникновение квантового эффекта Холла, согласно их экспериментам, обусловлено не столько воздействием внешнего магнитного поля, сколько свойствами самого проводника.

Для проведения экспериментов ученые использовали материалы, относящиеся к магнитным топологическим изоляторам. Их свойства можно охарактеризовать так: в глубине этих изоляторов возникновение электрического тока действительно невозможно, однако по их поверхности он спокойно течет, причем при определенных условиях сопротивление там практически отсутствует.

Разбираясь, почему это так, а не иначе, физики выяснили одну интересную вещь: оказывается, на поверхности этих изоляторов возникает тот самый двумерный электронный газ. Более того, они установили, что при движении его частиц спин электрона связан с импульсом, то есть зависит от собственного движения этой частицы. То есть присутствуют все условия для проявления квантового эффекта Холла. Оставалось лишь вызвать этот эффект при помощи экспериментов, которые и были незамедлительно проведены.

В своих опытах исследователи использовали расщепленный одиночный кристалл допированного марганцем Bi₂Te_3-ySe_y… И предсказанный квантовый эффект Холла действительно обнаружил себя без приложения магнитного поля чудовищной силы. Правда, сам образец все-таки пришлось охладить до сверхнизких температур, близких к абсолютному нулю. Однако этот факт нисколько не расстроил ученых — ведь главное препятствие все же было устранено.

Более того, физики считают, что на самом деле никаких теоретических запретов на возникновение квантового эффекта Холла при комнатной температуре нет. Просто для данных экспериментов был подобран не совсем удачный материал. Если найти какой-нибудь другой топологический изолятор, с более подходящими свойствами, то и охлаждать образец будет незачем.

Итак, работа японских исследователей вновь всколыхнула интерес в научном мире к использованию "холловских" проводников при создании сверхпроводящих ЛЭП. Однако это если и случится, то явно не сегодня и не завтра. А вот использовать топологические изоляторы в такой области электроники, как спинотроника (проектирующая приборы, в основе которых будет лежать способность электрона переносить не заряд, а спин), по мнению авторов работы, можно уже сейчас…

Читайте также в рубрике "Наука и техника"