Протекание электрического тока через обычный металл сопровождается энергетическими потерями — выделением джоулева тепла. Однако существует класс материалов, которые при низких температурах переходят в сверхпроводящее состояние: у них нулевое электрическое сопротивление и, как следствие, полное отсутствие джоулева разогрева. Это специфическое явление лежит в основе применения сверхпроводимости, включающего широкий класс различных микроэлектронных устройств.
Фото: NASA / JPL-Caltech
В 1970-х годах было замечено, что в тонких сверхпроводящих каналах и в узкой температурной области за счет термодинамических флуктуаций достигается так называемое резистивное состояние сверхпроводника, которое характеризуется малой, но уже ненулевой величиной электрического сопротивления. Например, для микронного провода из олова, переходящего в сверхпроводящее состояние при температуре Т = 3,7 К (то есть примерно –270°C), эта область составляет около 0,002 К. Таким образом, с точки зрения фундаментальной науки обозначенный эффект существует, но с практической точки зрения достаточно охладиться еще чуть-чуть ниже — и сопротивление опять неизмеримо мало.
С развитием нанотехнологий было сначала предсказано, а потом экспериментально подтверждено, что в сверхтонких сверхпроводящих каналах с сечением порядка 10 нм влияние квантовых флуктуаций приводит к конечному сопротивлению во всем температурном диапазоне вплоть до абсолютного нуля. Теоретически, чем выше сопротивление материала в нормальном состоянии, тем сильнее должно быть влияние квантовых флуктуаций в сверхпроводящем. В последнее время проявился особый интерес к специфическому классу сильнонеупорядоченных сверхпроводников, которые в нормальном состоянии обладают аномально высоким удельным сопротивлением. Помимо чисто академического интереса, внимание к материалам такого типа обусловлено еще и тем, что у них есть важное применение: их них изготавливаются сверхчувствительные датчики, способные регистрировать единичные фотоны — кванты электромагнитного излучения.
Группа исследователей из Московского института электроники и математики, Московского педагогического университета, Наноцентра Ювяскуля (Финляндия) и Университета Урбан-Шампейна (США) экспериментально исследовали транспортные свойства сверхтонких нанопроводов из нитрида ниобия NbN — типичного представителя семейства сильнонеупорядоченных сверхпроводников. Они обнаружили, что в достаточно широком температурном диапазоне ниже точки сверхпроводящего перехода нанопровода из NbN обладают конечным сопротивлением. Pезистивное состояние таких объектов прекрасно описывается существующими модельными представлениями, что является еще одним подтверждением универсальности роли флуктуаций на свойства низкоразмерных сверхпроводников.
Эти исследования имеют важное значение как для фундаментальной физики конденсированного состояния, так и для различных приложений в области квантовой наноэлектроники и информатики, где использование сверхпроводящих элементов субмикронных размеров давно уже стало повседневной реальностью. Подавление бездиссипативного состояния в сверхпроводящих наноструктурах накладывает фундаментальные ограничения на использование таких объектов в наноэлектронных системах. Но на базе эффекта квантовых флуктуаций можно изготавливать наноэлектронные устройства нового поколения: например, квантовые логические устройства — кубиты (от англ. qubit).
профессор НИУ ВШЭ Константин Арутюнов