Физики объяснили загадку возникновения различных узоров в сверхпроводниках

Учёные из МИЭМ НИУ ВШЭ и МФТИ показали, что в сверхпроводниках могут появляться очень сложные пространственные структуры, похожие на узоры, наблюдаемые в природе. Математически такие узоры описываются с помощью уравнения Гинзбурга – Ландау вблизи особой комбинации параметров, называемой точка Богомольного. Исследование опубликовано в Journal of Physics: Condensed Matter.

Учёные из МИЭМ НИУ ВШЭ и МФТИ показали, что в сверхпроводниках могут появляться очень сложные пространственные структуры, похожие на узоры, наблюдаемые в природе. Математически такие узоры описываются с помощью уравнения Гинзбурга – Ландау вблизи особой комбинации параметров, называемой точка Богомольного. Исследование опубликовано в Journal of Physics: Condensed Matter.

Один из интересных и не до конца понятных вопросов в науке — как достаточно простые законы природы приводят к появлению сложнейших узоров (паттернов), например, рисунков полосок зебры или чешуи рыбы.

Пример паттернов на чешуе рыб: императорский ангел

Ученые давно пытаются выяснить, как в природе появляются такие паттерны. Первое объяснение в 1952 году предложил один из родоначальников информатики математик Алан Тьюринг. Согласно его теории, сложные паттерны возникают из-за конкуренции между простыми взаимодействиями внутри системы. Так, в химических реакциях паттерны формируются под воздействием двух основных механизмов: диффузии (распространения веществ) и автокатализа (когда реакция ускоряет сама себя). Вскоре стало понятно, что модель Тьюринга также хорошо описывает появление сложных паттернов в биологии, однако не объясняет все природные явления.

Ученые из НИУ ВШЭ и МФТИ совместно с физиками из Федерального университета Пернамбуку (Бразилия) обнаружили, что формирование сложных узоров в природе также можно объяснить с помощью уравнения Гинзбурга – Ландау, описывающего, как меняется состояние сверхпроводника под воздействием магнитного поля.

Примеры изображений намагниченности в сверхпроводящем ферромагнетике Stolyarov et al., Sci. Adv. 2018; 4: eaat1061; S. Grebenchuk, MS Thesis Coexistence of superconductivity and ferromagnetism in EuFe2(As1-x Px)2crystals, Skolkovo Institute of Science and Technology, Moscow 2019

Сверхпроводник — материал, который проводит электрический ток без сопротивления, то есть без потерь электричества. Под воздействием магнитного поля сверхпроводники могут вести себя по-разному: либо полностью выталкивать магнитное поле, либо пропускать его через свой объём и формировать пространственные структуры, например, решетку вихрей.

Зависимость магнитных свойств сверхпроводника от параметра Гинзбурга – Ландау/ Предоставлено автором статьи Алексеем Ваговым

Однако, согласно теории сверхпроводимости, существует особая комбинация параметров сверхпроводника, в которой может возникнуть любая структура. Её называют точкой Богомольного. В своем исследовании учёные изучили, как изменяется магнитное поле около точки Богомольного под воздействием внешних условий.

Алексей Вагов, один из авторов статьи, профессор МИЭМ НИУ ВШЭ:

В точке Богомольного скрывается бесконечное разнообразие конфигураций-монстров, и когда вы отходите от неё, то выпускаете их. В зависимости от того, куда вы отойдете, появляются определенные типы конфигураций. Отойти можно разным способом: изменить температуру, размер образца, пустить ток, наложить два сверхпроводника друг на друга. И таким образом получить огромное количество экзотических паттернов.

Например, в сверхпроводниках возникают структуры, в которых области без магнитного поля сосуществуют с областями, где магнитное поле образовывает решетки вихрей. Однако в сверхпроводящей плёнке могут возникнуть совсем экзотические паттерны, похожие на распределение заболевших в пандемию ковида.

Пространственное распределение конденсата в сверхпроводящей пленке // W.Y. Cordoba-Camacho, Phys. Rev. B 94, 054511 (2016)

Алексей Вагов, один из авторов статьи, профессор МИЭМ НИУ ВШЭ:

Ранее сверхпроводимость не рассматривалась как явление, где могут возникать сложные паттерны, поскольку сверхпроводник — относительно простая физическая система. Однако оказалось, что в сверхпроводниках могут появляться очень сложные магнитные структуры. Наше исследование добавляет информацию к знаниям о том, как появляются сложные паттерны в простой системе.

Учёные предполагают, что эффекты в сверхпроводниках можно использовать при создании измерительных приборов. Например, отслеживая изменения конфигурации внутри сверхпроводника, можно измерить, насколько изменилась температура, ток или геометрия образца.

Василий Столяров, один из авторов статьи, директор Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ:

Работа по данному направлению ведётся как с точки зрения теории, так и с точки зрения экспериментов и технологии. Начиная с 2018 года мы первыми в мире провели и опубликовали серию экспериментальных исследований, в которых обнаружили и описали процесс формирования паттернов на мезоскопическом масштабе в ферромагнитных сверхпроводниках. Сейчас мы ищем и придумываем новые системы, где сверхпроводящие паттерны могут быть управляемыми, а следовательно, найдут применение в нанотехнологиях и наноустройствах.