Ученые впервые смогли сфотографировать воронки внутри сверхпроводников и обнаружили, что они движутся с невозможно высокой скоростью — около 70 тысяч километров в час, быстрее всех рукотворных и природных объектов на Земле — кроме, конечно, субатомных частиц.
Физики открыли самый быстрый объект на Земле

Все сверхпроводники обладают необычным свойством — они «не любят» магнитное поле и стремятся вытолкнуть его наружу, если линии этого поля с ними контактируют. Если сила поля превышает определенное значение, сверхпроводник резко теряет свои свойства и становится «обычным» материалом.

Этот феномен, который физики называют «эффектом Мейснера», работает неодинаково в разных сверхпроводниках. В сверхпроводниках первого рода магнитное поле не может существовать в принципе, а в их «собратьях» второго рода магнитное поле может проникать на небольшие расстояния в тех точках, где сочетаются сверхпроводящие и несверхпроводящие свойства.

Феномен открыл в 1957 году советский физик Алексей Абрикосов, за что он, а также Виталий Гинзбург и Энтони Леггет получили в 2003 году Нобелевскую премию по физике. Этот же феномен «частичного проникновения» магнитных полей порождает внутри сверхпроводника «воронки», кольцевые электрические токи, которые называют «вихрями Абрикосова».

Квантовый характер этих вихрей, а также их стабильность и предсказуемость давно привлекают внимание физиков, пытающихся создать квантовые или световые компьютеры.

Эмбон и его коллеги из Израиля, Украины и США получили первые снимки вихрей Абрикосова, возникающих внутри сверхпроводника. Чтобы получить фотографии, израильские физики создали сверхчувствительный датчик магнитного поля на базе сверхпроводников, способный «видеть» источники магнитных полей размерами в 50 нанометров и регистрировать изменения силы полей и их направленности.

Датчик ученые использовали для наблюдений за тем, что происходит внутри пленки из свинца, охлажденной до температуры, близкой к абсолютному нулю. В таких условиях свинец превращается в сверхпроводник второго рода, что позволило Эмбону и его коллегам проследить за тем, как воронки ускоряют бег с ростом напряжения.

Когда ученые получили первые результаты замеров, они не поверили глазам — воронки двигались с необычайно высокой скоростью, около 72 тысячи километров в час.

Это почти в 59 раз больше скорости звука и сопоставимо с той скоростью, с которой Земля движется вокруг Солнца, в десятки раз больше скорости движения отдельных атомов и молекул в атмосфере Земли. Кроме того, все рукотворные объекты, даже самые быстрые из них — зонды New Horizons и «Вояджер», движутся медленнее воронок в сверхпроводниках.

Но важен не сам рекорда, а то, что воронки движутся примерно в 50 раз быстрее, чем электроны внутри сверхпроводника. Пока у физиков нет никаких объяснений тому, что разгоняет воронки и почему они периодически сливаются друг с другом и объединяются в цепочки, что противоречит всем представлениям об их поведении.

Как показывают теоретические расчеты Эмбона и его коллег, 72 тысячи километров в час — не предел скорости для этих квантовых структур. Если сверхпроводник охладить еще сильнее и повысить напряжение, то можно будет разогнать воронки еще сильнее. Ученые надеются, что дальнейшие наблюдения за этими объектами помогут раскрыть природу этих вихрей и приблизят нас к созданию «комнатных» сверхпроводников и электроники на их базе.

Статья об исследовании опубликована в журнале Nature Communications.