Ученые уменьшили материал до атомов и сломали правила сверхпроводимости

Физики из Еврейского университета в Иерусалиме обнаружили, что в сверхпроводящих пленках толщиной менее нескольких нанометров привычные законы физики перестают работать. Вместо того чтобы «выталкивать» магнитное поле всё сильнее по мере утоньшения, материал неожиданно начинает вести себя с точностью до наоборот. Это открытие ставит под сомнение многолетние представления о природе сверхпроводимости в двумерных системах и может иметь прямое значение для разработки элементной базы квантовых компьютеров.

Эффект Мейснера дал сбой

В центре исследования — диселенид ниобия (NbSe₂), слоистый сверхпроводник, который можно «обдирать» до толщины в один атомный слой. Ученые наблюдали, как меняется так называемая длина Перла — параметр, описывающий, насколько глубоко магнитное поле способно проникнуть в тонкую пленку. Согласно классическим моделям, чем тоньше пленка, тем короче должна быть эта длина, то есть поле выталкивается эффективнее.

Эксперименты подтвердили теорию для образцов толщиной более десяти атомных слоев. Однако при переходе к пленкам из 3–6 слоев (2–4 нанометра) картина радикально изменилась: длина Перла не уменьшилась, а резко выросла и перестала зависеть от дальнейшего утоньшения. Сверхпроводник словно «потерял способность» сопротивляться магнитному полю.

Ток течет по поверхности

Команда под руководством профессора Йонатана Анахори и аспирантки Нофар Фридман использовала сверхчувствительный метод магнитной визуализации SQUID-on-tip, чтобы понять причину аномалии. Выяснилось, что в ультратонких образцах сверхпроводящий ток перестает течь равномерно по всему объему. Вместо этого он концентрируется у верхней и нижней границ пленки, фактически превращая объемный материал в две двумерные «поверхностные» сверхпроводящие пленки.

«Похоже, ниже определенной критической толщины сверхпроводимость ведет себя как двумерная, прижатая к границам», — пояснила Фридман. Этот эффект ранее не наблюдался, поскольку для его регистрации требовалась наномасштабная точность измерений, недоступная традиционным методам.

Последствия для квантовой электроники

Открытие заставляет пересмотреть фундаментальные модели сверхпроводимости в условиях жестких геометрических ограничений. Если такое «поверхностное» поведение окажется общим для многих ультратонких сверхпроводников, существующие теоретические описания потребуют серьезной корректировки.

С практической точки зрения, возможность управлять локализацией сверхпроводящего тока — по объему или по поверхности — открывает путь к созданию квантовых схем нанометрового размера. В квантовых технологиях, где каждый электрон на счету, точный контроль таких эффектов становится ключевым фактором для разработки стабильных кубитов и сверхчувствительных сенсоров.

Исследователи подчеркивают: работа с NbSe₂ демонстрирует, что даже в хорошо изученных областях физики могут скрываться сюрпризы, способные изменить наши представления о поведении материи на атомарном уровне.