КВАНТОВЫЕ ВОЛНЫ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА СВОЙСТВА СВЕРХПРОВОДНИКОВ

qUANTUM WAVES AND THEIR INFLUENCE ON THE PROPERTIES OF SUPERCONDUCTORS

Pestrikov Mikhail Aleksandrovich

Student, Faculty of Cybersecurity and Management, Povolzhskiy State University of Telecommunications and Informatics,

Russia, Samara

Zhukov Sergey Vadimovich

Scientific supervisor, Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Associate Professor of the Department of Physics, Povolzhskiy State University of Telecommunications and Informatics,

Samara, Russia

АННОТАЦИЯ

Статья посвящена изучению актуальных вопросов, связанных с пониманием теории сверхпроводимости. В частности, изучено влияние квантовых волн на свойства сверхпроводников. Отдельное внимание уделено ключевым параметрам и квантово-волновым эффектам в сверхпроводниках. Также детально писаны два типа возбуждений, которые могут в конечном счёте разрушить сверхпроводящее основное состояние. Также систематизированы ключевые квантово-волновые эффекты, определяющие фундаментальные свойства сверхпроводников.

ABSTRACT

This article is devoted to the study of topical issues related to the understanding of superconductivity theory. In particular, the influence of quantum waves on the properties of superconductors is investigated. Special attention is paid to key parameters and quantum wave effects in superconductors. Two types of excitations that can ultimately destroy the superconducting ground state are also described in detail. Key quantum wave effects that determine the fundamental properties of superconductors are also systematised.

Ключевые слова: сверхпроводники, квантовые волны, электроны, решетка, частицы, тепло.

Keywords: superconductors, quantum waves, electrons, lattice, particles, heat.

Сверхпроводники — это материалы, способные проводить электрический ток без потери энергии. Согласно классической физике, это не должно быть возможно. Электроны, движущиеся через материал, должны сталкиваться с другими частицами и выделять тепло. Но в случае сверхпроводимости все электроны входят в совместное квантовое состояние, что позволяет им двигаться без сопротивления [1]. Ключевые свойства сверхпроводников фундаментально определяются квантово-волновыми эффектами, параметры которых подвержены значительной вариативности в зависимости от типа материала и внешних условий.

В последние годы это направление получило особое развитие в связи с достижением прорывных результатов, таких как рост критических температур Tc до 250–260 K в гидридных материалах и достижение критических полей H_c порядка 100 Тл. Эти экстремальные условия подчёркивают необходимость точного понимания поведения квантовых волн, влияющих на базовые характеристики материалов. Современная сверхпроводимость определяется квантово-волновыми эффектами, чувствительными к наномасштабным параметрам: длине когерентности ξ, энергетической щели Δ и квантованию магнитного потока Ф₀ [2]. Наиболее значимые характеристики, отражающие влияние этих квантовых волн на сверхпроводящее состояние, представлены в таблице 1.

Таблица 1

Ключевые параметры и квантово-волновые эффекты в сверхпроводниках

*ВТСП - высокотемпературные сверхпроводники

Принимая во внимание вышеизложенное, ученые отмечают, что новая теория сверхпроводимости может революционизировать электротехнику. Согласно новой теории, «антиферромагнитное» состояние, при котором магнитные моменты электронов противоположны, может привести к разнообразным неожиданным расположениям электронов в высокотемпературном сверхпроводнике, а затем, в конечном итоге, к образованию «пар Купера», которые проводят ток без сопротивления [3].

Таким образом, отмеченные обстоятельства подтверждают актуальность темы данной статьи.

Над изучением механизма, с помощью которого сверхпроводящее состояние разрушается квантовыми флуктуациями и переходит в нормальное (изолирующее) состояние трудятся Москвин А.С., Панов Ю.Д., Улитко В.А., Акзянов Р.Ш., Капранов А.В., Piero Amerio, Michele Roccato, Sally F. Kelty.

Особенности магнитно-опосредованного взаимодействия, которое представляет собой альтернативный путь, позволяющий нетрадиционным сверхпроводникам достигать высоких температур перехода, рассматривают Нечаевский А.В., Стрельцова О.И., Куликов К.В., Башашин М.В., Jaewon Choi, Jiemin Li, Abhishek Nag, Jonathan Pelliciari.

Высоко оценивая имеющиеся на сегодняшний день труды и наработки, следует сделать акцент на том, что еще широкий спектр проблемных моментов требует более детального изучения. Так, в уточнении нуждается понимание того, каким образом коллективные квантовые волны (амплитудные и фазовые моды) взаимодействуют между собой и с квазичастицами в реальных сверхпроводниках с неоднородностями. Кроме того, остаётся неясным, как эти волны конкретно влияют на критическую температуру, плотность сверхтока и нелинейные оптические свойства в различных типах сверхпроводников.

Таким образом, цель статьи заключается в рассмотрении особенностей влияния квантовых волн на свойства сверхпроводников.

На микроскопическом уровне сверхпроводящее состояние состоит из двух ключевых компонентов. Во-первых, слабое взаимодействие между электронами, которое связывает пары электронов с противоположными импульсами и противоположными спинами в объекты с нулевым спином, называемые парами Купера; во-вторых, конденсация этих пар Купера в макроскопическое квантовое состояние, при котором квантовомеханическая фаза электронной волновой функции становится жесткой [4]. Жесткость фазы придаёт сверхпроводнику два его наиболее определяющих свойства: нулевое сопротивление и совершенный диамагнетизм.

Два типа возбуждений могут в конечном счёте разрушить сверхпроводящее основное состояние: (i) возбуждения квазичастиц, разрывающие пары Купера, и (ii) флуктуации фазы, способные разрушить глобально когерентное фазовое состояние. Энергетическая шкала, связанная с первым типом возбуждений, соответствует хорошо известной энергетической щели сверхпроводника Δ, тогда как шкала энергии второго типа определяется жёсткостью сверхтока J — энергией, необходимой для введения фазового сдвига единичной величины на единицу длины. В большинстве традиционных сверхпроводников , и температура перехода в сверхпроводящее состояние Tc почти полностью определяется Δ. Именно поэтому теория Бардена–Купера–Шриффера (BCS) и её более продвинутые расширения, такие как теория Элиашберга, добились выдающегося успеха, игнорируя роль флуктуаций фазы.

Помимо нулевого сопротивления, фундаментальным свойством сверхпроводников является эффект Мейснера, или совершенный диамагнетизм. Однако то, как именно материал реагирует на внешнее магнитное поле, напрямую определяется соотношением двух квантовых масштабов длины: длины когерентности ξ и Лондоновской глубины проникновения λ (масштаба, на который магнитное поле может проникать в поверхность сверхпроводника). Их отношение, известное как параметр Гинзбурга-Ландау , делит все сверхпроводники на два типа, которые ведут себя кардинально по-разному:

1. Сверхпроводники I рода (классические, как свинец или ниобий). У них к мал . Они демонстрируют полный эффект Мейснера, полностью выталкивая магнитное поле, вплоть до одного-единственного критического поля H_c, при котором сверхпроводимость скачком разрушается.
2. Сверхпроводники II рода (включая все ВТСП и гидриды). У них к велик ., что является прямым следствием очень малой длины когерентности. Эти материалы имеют два критических поля:

• ниже H_c1 они ведут себя как сверхпроводники I рода (полный эффект Мейснера).
• между H_c1 и H_c2 они переходят в особое «смешанное» или «вихревое» состояние.

Магнитное поле проникает внутрь не сплошным фронтом, а в виде тех самых квантованных вихрей Абрикосова, где каждый вихрь несет ровно один квант потока Ф₀. Именно это смешанное состояние, являющееся прямым проявлением квантово-волновых свойств (малой  и квантования Ф₀), позволяет сверхпроводникам II рода сохранять нулевое сопротивление в присутствии экстремально высоких магнитных полей (до 100 Тл и выше), что и делает их незаменимыми для МРТ, токамаков и других силовых применений [5].

На сегодняшний день существует несколько работ, указывающих на то, что спектр мод Хиггса может быть более сложным, если речь идет о нетривиальных симметриях зазора. Исследования многополосных сверхпроводников, таких как MgB₂, показывают, что спектр колебаний Хиггса содержит моды Хиггса для обоих зазоров, а также моду Леггета и моду относительной фазы. Дополнительные моды Хиггса с более низкими энергиями, представляющие колебания зазора в различных каналах симметрии, были предложены для сверхпроводников d-волны, при этом допуская составное взаимодействие спаривания. Помимо первых экспериментов с пробным охлаждением на купратах, недавние эксперименты на нескольких типах купратов показывают четкие следы моды Хиггса 2Δ и до сих пор неизвестной дополнительной моды ниже 2Δ. Эти результаты требуют, как более глубокого понимания, так и классификации, а также характеристик мод Хиггса в неравновесном состоянии.

До сих пор все описания того, как возбуждать колебания Хиггса с помощью импульса охлаждения, работают в рамках дипольного приближения, т.е. игнорируя небольшой импульс волны q внешнего поля. Есть и другие исследования, которые показывают, что линейная связь векторного потенциала с конденсатом возможна, если происходит перенос импульса, либо за счет рассеяния примесей в грязных сверхпроводниках.

Хотя амплитуда Хиггса и фазовый режим Леггета в равновесии не связаны между собой, учеными было обнаружено, что процесс возбуждения вне равновесия приводит к сильной связи между этими двумя коллективными режимами. В результате фазовый режим Леггета ω_L смещается ниже квазичастичного континуума Боголюбова и остается без затухания для широкого диапазона межзонных связей. Аналогично, нижний режим Хиггса ω_H2 ослабляется на малую величину, поскольку его частота находится на пороге квазичастичного континуума. Чтобы максимизировать колебательный сигнал этих коллективных мод в спектрах «насос-зонд», необходимо выбрать следующие экспериментальные параметры:

(i) длительность импульса насоса τ должна быть меньше внутреннего времени отклика сверхпроводника h/(2|Δ_i|), чтобы коллективные моды возбуждались неадиабатическим образом;

(ii) энергия импульса накачки должна быть порядка ширины сверхпроводящего зазора (то есть в терагерцовом диапазоне), чтобы квазичастицы Боголюбова возбуждались через зазор, но режимы с более высокими энергиями ħω≫|Δ_i| не заполнялись;

(iii) интенсивность импульса накачки не должна превышать нескольких нДж/см⁻², чтобы обеспечить лишь частичное разрушение сверхпроводящего конденсата, а не его полное уничтожение.

Таким образом, в табл. 2 систематизированы ключевые квантово-волновые эффекты, определяющие фундаментальные свойства сверхпроводников.

Таблица 2

Квантово-волновые эффекты в сверхпроводниках и их макроскопические проявления

** Сверхпроводящий квантовый интерференционный прибор

Подводя итоги проведенному исследованию, можно отметить, что будущее исследований новых сверхпроводников выглядит очень многообещающим. Некоторые материалы, такие как сверхпроводники на основе железа, могут сочетать в себе дисперсионные поверхностные состояния типа Дирака с объемной сверхпроводимостью, и, по прогнозам, обладают необходимыми условиями, чтобы стать хорошими кандидатами для топологической сверхпроводимости. Исследование коллективных квантовых волн, их взаимодействия с квазичастицами и неоднородностями, является ключевым направлением, которое позволит управлять критическими параметрами материалов и создавать новое поколение сверхпроводящей электроники и квантовых устройств.

Список литературы:

1. Гулай А.B., Дубовик А.В. Моделирование из первых принципов электронных свойств соединений РЗЭ как прекурсоров высокотемпературных сверхпроводников // Системный анализ и прикладная информатика. - 2024. - № 1. - С. 43-48.
2. Катков Д.С., Апостолов С.С., Бурмистров И.С. Связанные состояния и рассеяние магнонов на сверхпроводящем вихре в гетероструктурах ферромагнетик-сверхпроводник // Письма в Журнал экспериментальной и теоретической физики. - 2024. - Т. 120. - № 9-10. - С. 681-689.
3. Катков А.С. Перспективы применения квантовых мер напряжения на эффекте джозефсона для совершенствования эталонов вольта // Измерительная техника. - 2022. - № 7. - С. 30-35.
4. Семенников А.В. Исследование свойств сверхпроводников и их применение в высокоэффективных электронных устройствах // Экономика и управление: проблемы, решения. - 2024. - Т. 6. - № 7 (148). - С. 69-76.
5. Акзянов Р.Ш. Спиновые вихри и майорановские состояния в допированных топологических изоляторах с нематической сверхпроводимостью // Современная электродинамика. - 2022. - № 2. - С. 38-42.