Физики открыли идеальный изолятор

Рис. 1. Двумерный массив из джозефсоновских контактов. а — области сверхпроводимости (маленькие круги) разделены слабыми джозефсоновскими связями (черные перечеркнутые прямоугольники). Ток подается на левый электрод. b — увеличенный в масштабе джозефсоновский контакт можно интерпретировать как конденсатор, обладающий некоторой емкостью Ctot. Оранжевая стрелка показывает направление туннелирования куперовских пар. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature

Группа физиков из США, России, Германии и Бельгии обнаружила полное отсутствие проводимости в тонких пленках нитрида титана, охлажденных до температур, близких к абсолютному нулю, и находящихся в сильном магнитном поле. Парадоксально, но причиной возникновения сверхизоляции оказываются исключительно эффекты, присущие явлению сверхпроводимости.

Всё начиналось с 1911 года, когда Хейке Камерлинг-Оннес открыл в образце ртути явление сверхпроводимости — отсутствие сопротивления при температурах вблизи абсолютного нуля при протекании через материал электрического тока.

Спустя 46 лет, в 1957 году Бардин, Купер и Шриффер предложили модель сверхпроводимости, согласно которой электроны проводимости в веществе объединяются в так называемые куперовские пары (см. Эффект Купера) и ведут себя как единый квантовомеханический объект (теория Бардина–Купера–Шриффера, теория БКШ). Эта концепция позволила объяснить загадочное на то время явление сверхпроводимости.

В 1962 году Брайан Джозефсон, молодой аспирант Лаборатории Монд в Кембридже, по заданию своего научного руководителя Альфреда Пиппарда теоретически исследовал задачу о поведении контакта двух сверхпроводников или сверхпроводника с диэлектриком и получил принципиально новые эффекты, впоследствии названные в его честь эффектами Джозефсона. Выяснилось, что при таком контакте возможно протекание стационарного тока через изолятор, причем при отсутствии приложенного напряжения между двумя сверхпроводниками (стационарный эффект Джозефсона).

А в 2008 году Кристофер Штранк из Университета Регенсбурга в Германии, Валерий Винокур из Аргоннской национальной лаборатории в США, Татьяна Батурина из новосибирского Института физики полупроводников и другие учёные из России, Германии и Бельгии обнаружили полное отсутствие проводимости в тонких пленках нитрида титана, охлажденных до температур, близких к абсолютному нулю, и находящихся в сильном магнитном поле. (Их работа опубликована в последнем номере журнала Nature.)

Какое отношение, казалось бы, последнее событие имеет к первым трем? Как выяснилось, несмотря на свою противоположность по существу (сверхпроводник vs отсутствие проводимости), самое непосредственное. Но обо всём по порядку.

Представим, что в нашем распоряжении находится двумерная система — тонкая пленка нитрида титана, охлажденная до температуры, близкой к 0 К, которую можно представить в виде модели со множеством джозефсоновских контактов, и на этот исследуемый объект (рис. 1) подается постоянный ток.

Изучению протекания тока именно через такую систему и посвящена статья в Nature. На рис. 1 маленькими кругами обозначены сверхпроводящие области пленки (домены), соединенные, как говорят физики, слабыми джозефсоновскими связями (черные перечеркнутые прямоугольники на картинке). По сути, эти прямоугольники представляют собой изолирующие барьеры, как бы «мешающие» распространиться сверхпроводимости на всю область. Куперовские пары могут свободно туннелировать через барьеры согласно теории эффекта Джозефсона. В итоге мы имеем бездиссипативное (то есть без потерь) протекание тока через образец, а значит, материал в целом является сверхпроводником.

Пленка как массив джозефсоновских контактов — это всего лишь приближение, на самом деле она представляет собой гранулированную структуру маленькой толщины, в которой гранулы при низких температурах могут стать сверхпроводящими доменами, при этом сами гранулы разделены изолирующими областями, остающимися такими даже при сильном понижении температуры. Вообще говоря, физики и до этого активно занимались исследованием электродинамических свойств таких объектов. Их интерес вызван тем, что эти свойства напрямую зависят от толщины пленки. Например, такой зависимости подвержена критическая температура перехода состояния пленки из изолирующего состояния в сверхпроводящее.

Рис. 2. Вольт-амперная характеристика пленки нитрида титана, построенная в логарифмическом масштабе. В нормальном состоянии при 70 мК (красная кривая) и при маленьких напряжениях проводимость хорошо согласуется с законом Ома. В сверхизолирующем состоянии (синяя кривая) наблюдается резкое падение измеряемой силы тока. Переход из сверхизолирующего в нормальное состояние происходит в температурном интервале 20–70 мК. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature

Поместим теперь пленку нитрида титана в сильное магнитное поле и, понижая температуру, будем исследовать вольт-амперные характеристики системы (зависимость силы тока от напряжения). Результаты такого эксперимента авторы представили в виде графика (рис. 2).

При температуре 70 мК (милликельвинов) и в магнитном поле с индукцией 0,9 Тл (тесла) — то есть приблизительно в 2000 раз сильнее магнитного поля Земли — пленка, как видно из графика (рис. 2), ведет себя как обычный изолятор, при маленьких напряжениях демонстрируя даже согласие с законом Ома. Однако при понижении температуры до 20 мК при конечном напряжении сила тока резко устремляется к нулю, что означает бесконечное сопротивление. По сути, имеет место квантовое явление, полная противоположность сверхпроводимости, — сверхизоляция. Удивительно, но эффект сверхизоляции мирно сосуществует в данном эксперименте со сверхпроводимостью — домены ведь по-прежнему остаются сверхпроводящими.

Из школьного курса физики известно, что по отношению к протеканию электрического тока все вещества делятся на проводники и изоляторы (диэлектрики). Характеристикой проводимости электрического тока через вещество является его удельное сопротивление ρ: чем меньше значение ρ, тем лучше протекает электрический ток. Например, для меди, одного из лучших проводников, при комнатной температуре ρ = 0,0175. В принципе, изолятор — это такие же проводники, но только с намного большим удельным сопротивлением (у каучука ρ = 4·10²⁷). Таким образом, здесь имеет место явление, когда в целом, несмотря на наличие сверхпроводящих областей, пленка нитрида титана обладает удельным сопротивлением, равным бесконечности: ρ = ∞. Это действительно позволяет говорить об идеальном изоляторе и собственно о явлении сверхизоляции.

Насколько же устойчивым является данное состояние? Ведь известно, что, например, сверхпроводимость можно разрушить, повысив температуру выше T_c — критической температуры перехода; приложив магнитное поле со значением, выше так называемого верхнего критического поля B_c2; пропустив ток выше критического I_c. В некотором роде, аналогичная ситуация наблюдается и для явления сверхизоляции. Его тоже можно разрушить, повышая температуру, а также используя магнитное поле и напряжение (рис. 3).

Рис. 3. Сопоставление способов разрушения сверхпроводящего (а) и сверхизолирующего (b) состояний. Пороговое напряжение VT, при котором еще существует сверхизолирующее состояние, соответствует критическому току Ic, разрушающему сверхпроводимость. Температура перехода «сверхизолятор–изолятор» TSI является аналогом температуры перехода «сверхпроводник–проводник» TSC. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature

Хотя статья и представляет собой экспериментальную работу, тем не менее, авторы не избегают возможности дать и объяснение наблюдаемого ими явления. Их теоретические изыскания достаточно сложны и вряд ли будут понятны неспециалистам.

В основе их модели, предсказывающей сверхизоляцию, лежит теория Березинского–Костерлица–Таулеса (теория БКТ) — перехода двумерных структур из нормального состояния в сверхпроводящее в магнитном поле. По мнению исследователей, вихри, проникающие в сверхпроводник и несущие квант магнитного потока, блокируют туннелирование куперовских пар, «замыкая» их в сверхпроводящей области (домене). Однако стоит отметить, что эту точку зрения на объяснение сверхизоляции разделяют не все физики, занимающиеся проблемами конденсированного состояния вещества, и предложенная теория в настоящее время является темой горячих споров. Впрочем, в науке всегда присутствовал скепсис при каких-то более или менее значительных открытиях. Просто следует подождать новых работ в этой области.

Несмотря на чисто фундаментальный характер исследования, прикладные перспективы данного открытия более чем очевидны. Возможно, явление сверхизоляции решит важную проблему разряда химических источников электрического тока — обычных батареек. Хотя здесь уже необходимо говорить о сверхизоляции при комнатной температуре — эдакий аналог проблемы высокотемпературной сверхпроводимости.

Таковы вкратце результаты работы исследователей по изучению электродинамических свойств пленок нитрида титана.

В заключение хотелось бы поговорить о таком не совсем приятном понятии, как приоритет открытия. Дело в том, что, как уже упоминалось, тонкие пленки — распространенный объект исследований физиков, занимающихся конденсированным состоянием вещества, поэтому неудивительно, что подобные эксперименты по изучению протекания электрического тока через такие объекты уже проводились раньше. Отметим, прежде всего, работу группы ученых из института Вейцмана (Израиль), опубликованную в журнале Physics Review Letters за 2005 год, под названием Experimental Evidence for a Collective Insulating State in Two-Dimensional Superconductors, где также измеряется вольт-амперная характеристика тонких пленок, но не нитрида титана, а оксида индия. Отличие состоит лишь в том, что исследователи не употребляют громкое слово «сверхизолятор» (superinsulator). Собственно, неприятно здесь то, что в статье, опубликованной в Nature, нет даже ссылки на упомянутую выше работу, что, конечно же, вызывает некоторое недоумение (см. об этом также комментарий М. Фейгельмана в «Газете.ру»).

Источник: Valerii M. Vinokur, Tatyana I. Baturina, Mikhail V. Fistul, Aleksey Yu. Mironov, Mikhail R. Baklanov, Christoph Strunk. Superinsulator and quantum synchronization // Nature. 2008. V. 452. P. 613–615.

Юрий Ерин

Последние новости: Физика, Наука в России, Юрий Ерин

3 февраля Исследована гидродинамика процесса письма

27 декабря Самые маленькие насекомые обладают уникальной нервной системой

16 ноября Критическая температура сверхпроводника может быть увеличена магнитным полем

31 октября Хромосомные перестройки не мешают бурозубкам свободно скрещиваться

23 сентября Эксперимент OPERA сообщает о наблюдении сверхсветовой скорости нейтрино

19 сентября Связь массовых вымираний с вулканизмом получила новое подтверждение

1 сентября Концепция плаща-невидимки может помочь двигаться в жидкости без сопротивления

17 августа Создан лазерно-плазменный ускоритель нового поколения

11 августа Поверхности нормальных и раковых клеток — фракталы разной размерности

29 июля Электризация тел может приводить к мозаичному распределению зарядов на их поверхности

Астрономические наблюдения недели

Новости науки почтой (рассылка на Subscribe.ru):