Международная группа исследователей, в составе которой ученые из Новосибирского государственного университета и СО РАН, представила на страницах журнала Science результаты экспериментального наблюдения динамического перехода Мотта в сверхпроводящей наносистеме.
Это открытие экспериментально доказывает связь миров классической и квантовой механики. «Мы привыкли рассматривать классическую механику просто предельным случаем квантовой механики, реализующимся в нашем привычном макроскопическом мире, но эта связь значительно прочнее. Представленные нами эксперименты, – говорит Татьяна Батурина, заведующая совместной лаборатории НГУ – СО РАН (Лаборатория Наносверхпроводимости), ведущий научный сотрудник ИФП СО РАН и соавтор работы, – свидетельствуют о возможности равноправных описаний некоторых природных явлений как на классическом, так и на квантовом языках».
С самого появления квантовой механики в начале XX века ученые старались совместить ее законы с правилами классической механики и законами Ньютона (например, как описать траекторию яблока, подброшенного в воздух или падающего с дерева). Физикам неплохо удается связать эти два подхода, но экспериментальные исследования пока так далеко не продвинулись. Физические явления обычно описывают либо как квантовую систему, либо как классическую, но никак не одновременно
Система, которая объединяет оба подхода, реализуется в сверхпроводниках, то есть материалах, проводящих электрический ток без потери энергии. При приложении магнитного поля может происходить частичное его проникновение в сверхпроводник в виде вихрей, представляющих собой области нормального металла, каждая из которых несёт квант магнитного потока.
Вихри обладают как классическими, так и квантовыми свойствами, и в ряде природных явлений системы вихрей оказываются дуальными системам электрических зарядов. Это и натолкнуло исследователей на мысль подойти с «вихревой стороны» к раскрытию одного из загадочных явлений современной физики конденсированного состояния: перехода Мотта диэлектрик-металл, который до сих пор, главным образом, изучался на «зарядовой стороне»
Переход Мотта происходит в некоторых материалах, которые, согласно учебнику квантовой физики, должны быть металлами, но в действительности являются диэлектриками. Это нетривиальное явление, основанное на взаимодействии многих квантовых частиц, остается до сих пор не до конца изученным. Не ясно даже, квантовое это явление или классическое, хотя описание данного явления активно использует процесс квантово-механического туннелирования. Кроме того, ученые никогда еще не наблюдали динамического перехода Мотта, когда фазовый переход от диэлектрика к металлу осуществляется не при изменении температуры или давления, а в неравновесных условиях, например, при пропускании через систему электрического тока. Такие попытки уже неоднократно предпринимались, но беспорядок, присущий электронным системам на атомарном уровне, полностью скрывает свойства такого перехода.
Исследователи создали систему из 90 тысяч сверхпроводящих наноразмерных островков ниобия, нанесенных на слой золотой пленки в виде квадратной решётки. В такой системе, похожей на решётку для яиц, вихри занимают позиции в углублениях, и при низких значениях пропускаемого через структуру тока материал ведёт себя как вихревой моттовский изолятор, поскольку вихри остаются неподвижными.
Однако при увеличении силы тока свойства системы резко изменились; в неравновесном режиме из вихревого моттовского изолятора система превратилась в вихревой металл. Учёные установили, что динамический вихревой переход Мотта детально соответствует переходу Мотта, происходящему в равновесных условиях в системах электрических зарядов.
На сегодняшний день одной из самых ключевых проблем естествознания является понимание и умение контролировать неравновесные явления. Равновесные системы, то есть те, в которых нет движения энергии, сейчас исследованы достаточно хорошо. Однако практически каждое явление окружающей жизни связано с потоками энергии: от фотосинтеза до пищеварения и передвижения тропических циклонов. В настоящий момент нет такой физики, которая описала бы эти явления непротиворечиво. Ученые считают, что лучшее понимание исследуемых явлений приведет к значительному дальнейшему прогрессу электроники и других областей
Производители стараются сделать электронные устройства как можно меньше по размеру и более производительными. Системы, в которых наблюдается переход Мотта, возможно, являются альтернативой обычным кремниевым транзисторам. Так как переход из режима проводимости в режим диэлектрика происходит при незначительном изменении напряжения, такие системы, вероятно, смогут преобразовывать данные в двоичную систему при меньших размерах и с большей точностью, чем это делают кремниевые транзисторы.
В международную группу исследователей, сделавших научное открытие, вошли специалисты Института исследования нанотехнологий MESA+ при голландском университете University of Twente, Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США (Argonne National Laboratory), Сибирского отделения Российской академии наук, Новосибирского государственного университета, Международного центра the Rome International Center for Materials Science Superstripes в Риме, Московского физико-технического института и университета Queen Mary University of London в Лондоне
Результат опубликован в:
N. Poccia, T. I. Baturina, F. Coneri, C. G. Molenaar, X. R. Wang, G. Bianconi, A. Brinkman, H. Hilgenkamp, A. A. Golubov, V. M. Vinokur. Critical behavior at a dynamic vortex insulator-to-metal transition. Science, 2015; 349 (6253): 1202 DOI: 10.1126/science.1260507
