Американские физики вывели универсальную формулу, определяющую поведение полупроводников в различных состояниях

Сверхпроводники практически не имеют электрического сопротивления при температурах, которые приближаются к абсолютному нулю. А это значит, что для того, чтобы обеспечить протекание электрических зарядов внутри сверхпроводника, необходимо задействовать небольшое количество энергии.

Например, такие устройства, как процессоры компьютерной техники, в будущем могут разрабатываться на основе принципа сверхпроводников. Все это позволит тратить гораздо меньше энергии для работы процессорных машин, чем это делается в настоящее время при использовании обычных кремниевых схем.

Трудности перехода в будущем к сверхпроводниковым технологиям обуславливается рядом проблем из фундаментальной физики, одну из которых преодолела команда Массачусетского технологического института в рамках проводимых ее последних исследований.

Практически до сегодняшних дней соотношение между электрическими и физическими параметрами сверхпроводниковых материалов лежало преимущественно в плоскости теоретических выводов и допущений. При этом на практике не был доказан ни один из основополагающих в этой области законов. Группа исследователей из Массачусетского технологического института вывела формулу, связывающую температуру, толщину материала и электрическое сопротивление, которая, как оказалось, является справедливой для любого сверхпроводникового материала.

В своих изысканиях группа американских ученых опиралась на результаты предыдущих экспериментов и анализов. Так, ранее было доказано, что критическая температура эксплуатации в сверхпроводниковом материале является функцией, зависящей от его толщины или от значения электрического сопротивления при обычной комнатной температуре.

Чтобы проверить это утверждение, американские физики создали сверхпроводник из нитрида ниобия, и на практике оказалось, что все предыдущие выводы неверны.

По этому поводу Йачин Иври (Yachin Ivry), являющийся одним из авторов исследований в статье, опубликованной журналом Physical Review B, написал: «Мы так и не увидели четкой тенденции. Это было очень странно, поскольку мы соблюдали все условия, когда создавали новые сверхпроводниковые материалы».

Чтобы разобраться, где проявляется несоответствие между практикой и теорией, ученые осуществили опыт по выращиванию сверхтонкой полупроводниковой пленки. При этом исследователи поочередно сохранили один из двух существующих параметров неизменным — сначала толщину материала, а потом поверхностное сопротивление. А затем, производя манипуляции с этими двумя параметрами, Иври со своей командой измеряли различные минимальные изменения в показателях критической температуры сверхпроводникового материала.

В результате данных опытов ученым удалось построить точную модель повторяемости основных параметров и зависимости от них критической температуры, а уже по ней и была выведена универсальная формула для тонкопленочных сверхпроводников.

Подведя итоги исследований Иври отметил: «Результаты наших изысканий применимы в самых широких сферах физических знаний. Тонкопленочные полупроводники, для которых выведена наша универсальная формула, вызывают особый интерес с научной точки зрения, поскольку именно они позволяют изучать явление сугубо квантовой природы, известное как переход «сверхпроводник-изолятор». Сверхпроводимость представляет собой явление, основанное на коллективном поведении электронов. Поэтому чем меньше толщина сверхпроводника, тем ближе возможность исследования этого коллективного поведения».

По мнению авторов указанных изысканий, данное открытие поможет в будущем создать сверхчувствительные фотоприемники, а так же разрабатывать суперпроводящие элементы, которые будут использоваться в квантовых компьютерах.