Теория незатухающих токов в несверхпроводящих кольцах проверена опытом

Катрин Молер (Kathryn Moler) и её коллеги из Стэнфорда (Stanford University) выполнили прецизионные измерения "безостановочных" токов в мезоскопических кольцах, подтвердив теоретические постулаты, описывающие это экзотическое явление.

Диаметр каждого кольца составил от 1 до 2 микрометров, а толщина – 140 нанометров (иллюстрация Kathryn Moler).
Диаметр каждого кольца составил от 1 до 2 микрометров, а толщина – 140 нанометров (иллюстрация Kathryn Moler).

Ещё в 1980-х группа учёных, а среди них и известный швейцарский физик Маркус Бюттикер (Markus Büttiker), предсказала, что при определённых условиях в малых (порядка микрометра) нормальных проводниках — мезоскопических кольцах — могут "сами собой" течь незатухающие токи (persistent currents). Предполагалось, что это один из вариантов эффекта Ааронова-Бома (Aharonov-Bohm effect), а упрощённо говоря — одно из проявлений квантовых эффектов в проводящих системах, размеры которых меньше длины свободного пробега электрона.

Квантовая теория предсказывает многие аспекты поведения электронов в такой ситуации. Но хотя незатухающие токи уже наблюдались в экспериментах (с начала 1990-х), до сих пор не удавалось достаточно точно установить их параметры. Ведь даже надёжное обнаружение таких токов представляет собой большую проблему.

Токи эти крайне малы (практически речь идёт о единичных электронах, бегающих по кольцу), и внешнее вмешательство, без которого трудно представить измерение, – губит их. К тому же миниатюрные кольца должны находиться при низкой температуре (порядка одного кельвина), хотя и выше той, при которой в данном металле наблюдался бы уже совсем другой эффект — сверхпроводимости.

А поскольку измерительный зонд передаёт кольцу энергию, то есть нагревает его, — процедура поимки незатухающего тока превращается в настоящее искусство.

Все трудности построения такой системы удалось преодолеть группе под руководством Молер. Они создали 33 кольца из сверхчистого золота и разместили их на подложке, которая забирает тепло, попадающее к кольцам от измерительной системы.

Последняя — тоже необычна: это микроскоп SQUID (superconducting quantum interference device), способный чувствовать сверхслабые магнитные поля, подобные тем, что производят незатухающий ток в кольце.

В отличие от других сходных опытов авторам нового эксперимента удалось померить параметры тока в каждом кольце индивидуально, причём общее число замеров составило 10 миллионов.

В частности, учёные меняли температуру колец (хотя и не в очень больших пределах), получив зависимость амплитуды тока от нагрева (по мере подъёма температуры незатухающий ток слабеет). Зависимость оказалась хорошо согласованной с теоретическими расчётами.

Также в опыте чётко наблюдались отличия в параметрах токов в тех или иных кольцах, что было обусловлено индивидуальными физическими различиями колец.

А период колебаний в магнитном потоке, вызванный током в кольце, оказался почти в точности равен величине h/e, что опять-таки предсказывала теория.

Детали опыта можно найти в статье его авторов в Physical Review Letters.






Последние новости

Подгружаем последние новости