Новая теория, объясняющая сверхпроводимость

Исследователь из Университета Цукубы представил новую теоретическую модель высокотемпературной сверхпроводимости, в которой электрический ток может протекать с нулевым сопротивлением, что может привести к высокоэффективному производству и передаче энергии.

Ученый из отдела квантовой физики конденсированного состояния Университета Цукубы сформулировал новую теорию сверхпроводимости. Эта модель, основанная на расчете «связи Берри», помогает объяснить новые экспериментальные результаты лучше, чем существующая теория. Работа может позволить будущим электрическим сетям передавать энергию без потерь.

Сверхпроводники - это удивительные материалы, которые могут выглядеть непримечательными в условиях окружающей среды, но при охлаждении до очень низких температур позволяют электрическому току течь с нулевым сопротивлением. Существует несколько очевидных применений сверхпроводимости, таких как передача энергии без потерь, но физика, лежащая в основе таких процессов, до сих пор не совсем понятна. Установившееся представление о переходе от нормального состояния к сверхпроводимости называется теорией Бардина-Купера-Шриффера (БКШ). В этой модели, пока тепловые возбуждения остаются достаточно малыми, частицы могут образовывать «куперовские пары». Эти пары перемещаются вместе и сопротивляются рассеиванию. Однако модель БКШ не может адекватно объяснить все типы сверхпроводников, что ограничивает нашу способность создавать более прочные сверхпроводящие материалы, работающие при комнатной температуре.

Ученый из Университета Цукубы предложил новую модель сверхпроводимости, которая, по его мнению, лучше раскрывает физические принципы. Вместо того чтобы сосредотачиваться на спаривании заряженных частиц, эта новая теория использует математический инструмент, называемый «связью Берри». Это значение вычисляет скручивание пространства, в котором движутся электроны. 

«В стандартной теории БКШ причиной сверхпроводимости является спаривание электронов. В новой теории сверхток определяется как поток спаренных электронов без диссипации, в то время как отдельные электроны пподолжают испытывают сопротивление», - говорит автор, профессор Хироясу Коидзуми.

Например, джозефсоновские переходы образуются, когда два сверхпроводящих слоя разделены тонкой перегородкой из нормального металла или изолятора. Хотя джозефсоновские переходы широко используются в высокоточных детекторах магнитного поля и квантовых компьютерах, они не совсем полностью соответствуют внутренней теории БКШ.

 «В новой теории роль спаривания электронов заключается в стабилизации связи Берри, а не в том, чтобы быть причиной сверхпроводимости самой по себе. Сверхток - это поток одиночных и парных электронов, генерируемых в результате скручивания пространства, где перемещение электронов вызвано связью Берри», - говорит профессор Коидзуми.

Это исследование может привести к существенному прогрессу в области энергосбережения и квантовых технологий.

^{Ссылка: “Superconductivity by Berry Connection from Many-body Wave Functions: Revisit to Andreev−Saint-James Reflection and Josephson Effect” by Hiroyasu Koizumi, 5 July 2021, Journal of Superconductivity and Novel Magnetism.
DOI: 10.1007/s10948-021-05905-y}