Вчені зменшили матеріал до атомів та зламали правила надпровідності

Уявіть собі: електрика біжить проводами без найменшого опору. Жодних втрат на нагрівання, чиста ефективність. Звучить як наукова фантастика? А ось і ні, це реальність надпровідності – дивовижного квантового танцю електронів, який фізики вивчають уже понад сто років. Ми начебто непогано розібралися, як це працює у звичайних, об’ємних матеріалах. І навіть думали, що розуміємо, як надпровідність поводиться, коли матеріал стає дуже тонким.

Але, як це часто буває в науці, варто копнути трохи глибше (або, в цьому випадку, зіскребти пару зайвих атомних шарів), як природа підкинула сюрприз.

Знайомтесь, Диселенід Ніобія: Не Просто Листковий Пиріг

У центрі уваги опинився диселенід ніобію, або просто NbSe₂. Це не просто якийсь нудний кристал, а шаруватий матеріал. Уявіть собі стопку неймовірно тонких листів, кожен завтовшки всього три атоми. Вчені давно полюбили такі матеріали за те, що їх можна акуратно «розшаровувати», отримуючи плівки з точно заданою товщиною — аж до одного шару! І NbSe₂ — відомий надпровідник.

Дослідники з Єврейського університету в Єрусалимі під керівництвом професора Йонатана Анахорі та за активної участі аспірантки Нофар Фрідман вирішили уважно поглянути, що ж відбувається з надпровідністю в NbSe₂, коли його роблять екстремально тонким. Ну, знаєте, тонше за кілька нанометрів — це коли рахунок йде вже на окремі атомні шари.

Коли Очікування Стикаються з Реальністю

Є така важлива властивість надпровідників — вони не люблять магнітні поля і виштовхують їх із себе (це називається ефект Мейснера). Вважалося, що чим товщі надпровідна плівка, тим ефективніше вона це робить. Є навіть спеціальна характеристика — довжина Перла, яка, власне кажучи, показує, наскільки глибоко магнітне поле може проникнути в тонкий надпровідник. За всіма правилами, що товщі плівка, то меншою має бути ця довжина Перла — тобто поле виштовхується сильніше.

І спочатку все йшло за планом. Команда брала плівки NbSe₂ завтовшки більше десяти атомних шарів і бачила: так, як за підручником. Товще — поле виштовхується краще.

Але потім почалося найцікавіше.

Коли дослідники дісталися плівок завтовшки всього від трьох до шести атомних шарів (це приблизно 2-4 нанометри, тонше просто нікуди!), вони побачили щось несподіване. Замість стати зовсім слабкою, здатність виштовхувати поле раптом повелася дивно. Довжина Перла не просто перестала зменшуватися — вона різко підскочила і, що найдивовижніше, перестала залежати від подальшого витончення плівки в цьому діапазоні!

Уявіть, ви стискаєте пружину, очікуючи, що вона стане жорсткішою, а вона раптом — і стає м’якшою, причому її м’якість більше не змінюється, як би ви її не стискали далі. Приблизно такий конфуз трапився і з довжиною Перла.

Секрет на поверхні?

У чому справа? Нофар Фрідман, провідний автор дослідження, пояснює: «Схоже, у дуже тонких зразках надпровідність поводиться зовсім не так, як ми звикли думати. Є підозра, що нижче певної критичної товщини надпровідний струм вважає за краще текти не по всьому об’єму матеріалу, а концентрується біля його верхньої та нижньої поверхонь».

Виходить, надпровідність як би «сплющується» і стає двовимірною, притиснутою до меж плівки. Це зовсім нова поведінка, яку раніше просто не помічали.

Чому не помічали? А тому, що потрібні були дуже «зоркі» інструменти. Професор Анахорі наголошує: «Наші методи магнітної візуалізації дозволили побачити деталі на такому рівні, який був недоступний попереднім підходам». Сучасні технології дозволяють буквально побачити магнітні поля на наномасштабі, і саме це допомогло виявити аномалію.

Що далі? Переписуємо Підручники?

Ну, може, не одразу переписуємо, але замислитись точно є над чим. Це відкриття ставить під сумнів деякі уявлення про те, як надпровідність працює в умовах жорстких геометричних обмежень.

По-перше, постає питання: а чи не є така «поверхнева» поведінка загальною властивістю для багатьох ультратонких надпровідників? Якщо так, то наші моделі доведеться серйозно коригувати.

По-друге, це відкриває цікаві перспективи. Вміння керувати тим, де саме тече надпровідний струм — за обсягом або поверхнею — може виявитися корисним. Наприклад, у квантових технологіях, де кожен електрон на рахунку і потрібно створювати хитромудрі схеми нанометрового розміру. Точне розуміння та контроль таких ефектів – ключ до майбутніх розробок.

Отже, історія з диселенідом ніобію — це не просто ще одна наукова стаття. Це нагадування у тому, що у добре вивчених, здавалося б, областях фізики можуть ховатися сюрпризи. Варто лише подивитися уважніше, озброївшись новими інструментами та сміливістю ставити незручні питання старим теоріям. І хто знає, які ще таємниці зберігають ці дивовижні атомні верстви? Дослідження, чесно кажучи, лише розпочинаються.