Ученые узнали, что это правда, после наблюдения замечательного явления, существование которого было предсказано три десятилетия назад, но до сих пор ускользало от экспериментального обнаружения. Наблюдение подтверждает, что фундаментальные квантовые состояния, сверхпроводимость и суперизоляция возникают в зеркальных изображениях друг друга, что может привести к развитию сверхчувствительных и энергоэффективных датчиков, детекторов и логических переключателей для науки и коммуникации, хранения в памяти и других возникающих проблем. технологии.«Продемонстрированное нами поведение является именно тем поведением, которое было предсказано и ожидаемо», — сказал Валерий Винокур, заслуженный научный сотрудник отдела материаловедения Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE).
Винокур и его коллеги наблюдали явление, названное переходом Березинского-Костерлица-Таулеса (БКТ), в микроскопически тонкой пленке сверхпроводящего нитрита титана ниобия. Зарядовый переход БКТ является зеркальным аналогом вихревого перехода БКТ, который ученые много раз наблюдали в сверхпроводящих материалах. Винокур и его сотрудники из Калифорнийского технологического института и Новосибирского университета в России опубликовали свои выводы в Интернете 6 марта 2018 года в журнале Scientific Reports.«Эксперименты, проведенные нашей командой, окончательно устанавливают существование суперизолирующего состояния и обоснованность его основополагающих концепций, включая фундаментальную концепцию дуальности заряд-вихрь», — сказал Винокур, который также является старшим научным сотрудником отдела вычислений Чикагского университета.
Институт. «Основные концепции, лежащие в основе наших знаний о вселенной на ее самом глубоком уровне, основаны на концепции двойственности».Концепция двойственности в физике утверждает, что фундаментальные совокупности явлений, казалось бы, исключают друг друга, но представляют две стороны медали. Самый известный пример дуальности — дуальность света волна-частица, появляющаяся в квантовой сфере. Суперизолирующие и сверхпроводящие материалы, которые являются точными противоположностями, реализуют двойственность между электрическими и магнитными эффектами.
Вместо того, чтобы передавать электрический ток без потери мощности, как это делают сверхпроводники, суперизоляторы полностью перекрывают поток зарядов под приложенным напряжением. Это означает, что зеркальные сверхпроводники имеют бесконечную проводимость, а суперизоляторы — бесконечное сопротивление.Последнее открытие основано на работе, опубликованной в 2008 году Винокуром и его коллегами, в которых экспериментально установлено существование суперизолирующего состояния, а также предлагается, чтобы оно «отражало» поведение, которое происходит в сверхпроводящем состоянии, выводя его из наиболее фундаментальной квантовой концепции. принцип неопределенности.
Физики-теоретики из CERN (Европейская лаборатория физики элементарных частиц), Женевского университета и Университета Перуджи — Кристина Диамантини, Карло Трюгенбергер и Паскуале Содано — предсказали существование этого суперизолирующего состояния, двойственного сверхпроводимости, в 1996 году. Открытие суперизолирующего состояния было настолько неожиданным, что команда Винокура поначалу ничего не знала о предсказании.Переход БКТ, лежащий в основе двойственности сверхпроводник-изолятор, назван в честь покойных Вадима Березинского, Майкла Костерлица и Дэвида Таулесса. Костерлиц и Таулесс совместно разработали теорию топологических фазовых переходов в начале 1970-х годов, которые сильно отличаются от фазовых переходов, которые были широко известны в повседневной практике физики того времени.
Эти обычные фазовые переходы проявляются как резкое изменение состояния вещества, например, таяние льда в воду или кипение воды в пар при некоторой критической температуре. Однако топологические фазовые переходы похожи на развязывание узлов в галстуке. «У вас есть явное изменение свойств системы без каких-либо видимых материальных изменений в свойствах стяжки», — сказал Винокур.
Березинский независимо развил аналогичные идеи, что в конечном итоге привело к многочисленным наблюдениям вихревых БКТ-переходов в тысячах экспериментов по сверхпроводимости на протяжении десятилетий. Однако до сих пор ученые никогда окончательно не наблюдали зеркального отражения вихревого перехода БКТ — перехода заряда БКТ — на сверхизолирующей стороне перехода сверхпроводник-изолятор.Костерлиц, Таулесс и Дункан Холдейн разделили Нобелевскую премию по физике 2016 года за «теоретические открытия топологических фазовых переходов и топологических фаз материи», разработав передовые математические методы, необходимые для объяснения фазовых переходов, которые происходят в необычных состояниях материи, включая сверхпроводящие материалы и тонкие магнитные пленки.Одним из направлений будущих исследований Винокура и его коллег станет повышение температуры, при которой их соединение нитрита ниобия и титана переходит в суперизолирующее состояние.
Температура перехода теперь составляет от 100 до 200 милликельвинов, что составляет лишь долю градуса выше абсолютного нуля (минус 459,6 градуса по Фаренгейту). Но повышение температуры перехода до 4 кельвинов (минус 452,4 градуса по Фаренгейту) стало бы технологическим прорывом.
«Это означает, что мы могли бы использовать эти материалы в космосе, потому что 4 кельвина — это температура космоса», — сказал Винокур. Возможные космические применения таких суперизолирующих материалов включают сверхчувствительные детекторы для измерения электромагнитного излучения и других явлений, а также переключатели для электронных устройств, таких как энергосберегающие диоды.
Это исследование было частично поддержано Управлением науки Министерства энергетики США.