Физики объяснили, что общего у сверхпроводника и полосок чешуи рыбы | Новости науки
Ученые из МИЭМ НИУ ВШЭ и МФТИ в сотрудничестве с бразильскими коллегами показали, что сверхпроводники могут формировать сложные пространственные узоры, аналогичные тем, что наблюдаются в природе. Математически эти узоры описываются с использованием уравнения Гинзбурга — Ландау вблизи точки Богомольного — особой комбинации параметров. Исследование данного феномена было опубликовано в журнале «Journal of Physics: Condensed Matter».
Один из интересных и недостаточно понятных вопросов в науке заключается в том, как простые законы природы могут порождать сложные узоры, такие как полосы на зебре или чешуйки на рыбе.
Ученые давно стремились понять, каким образом такие узоры формируются в природе. Первое объяснение этому вопросу было предложено в 1952 году математиком и родоначальником информатики Аланом Тьюрингом. По его теории, сложные узоры могут возникать в результате конкуренции между простыми взаимодействиями внутри системы. Например, в химических реакциях такие узоры могут формироваться под воздействием диффузии и автокатализа. Позже стало ясно, что модель Тьюринга также успешно объясняет образование сложных узоров в биологии, однако не все природные явления можно объяснить этой теорией.
Физики из ВШЭ и МФТИ вместе с коллегами из бразильского Федерального университета Пернамбуку обнаружили, что сложные узоры в природе также можно объяснить с помощью уравнения Гинзбурга — Ландау, которое описывает изменения состояния сверхпроводника под воздействием магнитного поля.
Сверхпроводник — это материал, который способен проводить электрический ток без сопротивления, т. е. без потерь электроэнергии. Под воздействием магнитного поля сверхпроводники могут вести себя по-разному: либо полностью выталкивать магнитное поле, либо пропускать его через свой объем и формировать пространственные структуры, такие как решетки вихрей. Однако, согласно теории сверхпроводимости, существует особая комбинация параметров сверхпроводника, в которой может возникнуть любая структура. Эту комбинацию называют точкой Богомольного.
В своем исследовании коллектив физиков из России и Бразилии изучал, как меняется магнитное поле около точки Богомольного под воздействием внешних условий.
«В точке Богомольного скрывается бесконечное разнообразие конфигураций-монстров, и когда вы отходите от нее, 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», — объясняет один из авторов статьи, профессор МИЭМ НИУ ВШЭ, ведущий научный сотрудник Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ Алексей Вагов.
Например, в сверхпроводниках могут возникать структуры, в которых области без магнитного поля сосуществуют с областями, где магнитное поле образует решетки вихрей. Однако в сверхпроводящей пленке могут возникнуть совсем экзотические паттерны, наподобие распределения заболевших в пандемию ковида.
«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», — комментирует Алексей Вагов.
Ученые считают, что эффекты, проявляющиеся в сверхпроводниках, можно использовать при создании различных измерительных приборов. Например, отслеживая изменения конфигурации внутри сверхпроводника, можно измерить, насколько изменилась температура, ток или геометрия образца.
«Работа в этом направлении ведется как с точки зрения теории, так и с точки зрения эксперимента и технологии. Начиная с 2018 года мы опубликовали серию пионерских экспериментальных исследований, в которых впервые 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, могут иметь применение в нанотехнологиях для реализации наноустройств», — говорит один из авторов статьи, директор Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ Василий Столяров.