Магний (Mg) — распространенный химический элемент, щелочноземельный металл, известный своей высокой химической активностью и легкостью, превосходящей даже алюминий. Он является хорошим проводником электричества, но обычно не проявляет свойств сверхпроводимости. Магний широко встречается в минералах и растениях, играет роль в физиологии человека и метаболизме, а его атомы образуются в недрах стареющих звезд большой массы.
Сверхпроводимость — это явление, при котором материал проводит электрический ток без какого-либо сопротивления при охлаждении ниже определенной критической температуры (Tc). Это свойство открывает перспективы для революционных технологий в передаче энергии, медицинской визуализации и, особенно, в квантовых вычислениях.
Группа исследователей, включая Джованни Уммарино из Туринского политехнического университета, поставила под сомнение устоявшиеся представления о том, какие элементы могут быть сверхпроводниками. Их гипотеза, опубликованная в журнале Condensed Matter, заключается в том, что эффект квантового ограничения способен превращать несверхпроводящие в обычных условиях элементы в сверхпроводники.
В основе этого явления лежит квантовое ограничение — феномен, при котором энергия квантовой частицы, например электрона, значительно возрастает, когда ее пространственное положение сильно ограничено. Это напрямую связано с принципом неопределенности Гейзенберга: ограничение положения частицы приводит к увеличению неопределенности ее импульса и, следовательно, энергии.
Ранее Джованни Уммарино и его коллега уже применяли эту концепцию, предсказав возможность сверхпроводимости у благородных металлов — золота (Au), меди (Cu) и серебра (Ag). Согласно их расчетам, эти металлы должны становиться сверхпроводниками, если их изготовить в виде очень тонких пленок толщиной около половины нанометра (0.5 нм).
Новые теоретические расчеты команды сосредоточены на магнии. Результаты показывают, что магний может стать сверхпроводником при формировании из него ультратонких пленок (нанолистов) толщиной менее одного нанометра (1 нм = одна миллиардная доля метра). Расчеты проводились методом ab-initio, без использования подгоночных параметров, на основе фундаментальных вычислений электронной и решеточной структуры материала.
Ключевым результатом является предсказание зависимости критической температуры (Tc) от толщины пленки магния. Расчеты показывают, что Tc может достигать значения 10 Кельвинов (К) для нанолистов магния толщиной около 0.5 нанометра. Это неожиданно высокое значение для элемента, не являющегося сверхпроводником в объемном состоянии.
Практическая значимость предсказанной Tc в 10 К огромна. Такая температура позволяет использовать для охлаждения стандартный и относительно доступный жидкий гелий, который обеспечивает охлаждение до 4.5 К. Это выгодно отличает магний от необходимости применения более сложных и дорогих криогенных технологий.
Потенциальное влияние этого открытия, если оно будет подтверждено экспериментально, распространяется на области квантовой электроники и квантовой информации. Одним из ключевых применений может стать создание кубитов — фундаментальных единиц квантовой информации, способных находиться в состоянии суперпозиции (одновременно 0 и 1).
В настоящее время для создания кубитов часто используется алюминий (Al). Однако его критическая температура сверхпроводимости составляет всего 1.6 К. Это значение находится ниже стандартной температуры охлаждения жидким гелием (4.5 К), что требует дополнительных, более сложных систем охлаждения для поддержания сверхпроводящего состояния алюминиевых кубитов.
Предсказанная для нанолистов магния Tc в 10 К значительно превышает Tc алюминия (1.6 К) и комфортно укладывается в диапазон охлаждения жидким гелием. Переход на использование магния вместо алюминия в квантовых устройствах мог бы не только повысить эффективность охлаждения, но и сделать технологии квантовых вычислений значительно более экологически устойчивыми.
Изображение носит иллюстративный характер
Сверхпроводимость — это явление, при котором материал проводит электрический ток без какого-либо сопротивления при охлаждении ниже определенной критической температуры (Tc). Это свойство открывает перспективы для революционных технологий в передаче энергии, медицинской визуализации и, особенно, в квантовых вычислениях.
Группа исследователей, включая Джованни Уммарино из Туринского политехнического университета, поставила под сомнение устоявшиеся представления о том, какие элементы могут быть сверхпроводниками. Их гипотеза, опубликованная в журнале Condensed Matter, заключается в том, что эффект квантового ограничения способен превращать несверхпроводящие в обычных условиях элементы в сверхпроводники.
В основе этого явления лежит квантовое ограничение — феномен, при котором энергия квантовой частицы, например электрона, значительно возрастает, когда ее пространственное положение сильно ограничено. Это напрямую связано с принципом неопределенности Гейзенберга: ограничение положения частицы приводит к увеличению неопределенности ее импульса и, следовательно, энергии.
Ранее Джованни Уммарино и его коллега уже применяли эту концепцию, предсказав возможность сверхпроводимости у благородных металлов — золота (Au), меди (Cu) и серебра (Ag). Согласно их расчетам, эти металлы должны становиться сверхпроводниками, если их изготовить в виде очень тонких пленок толщиной около половины нанометра (0.5 нм).
Новые теоретические расчеты команды сосредоточены на магнии. Результаты показывают, что магний может стать сверхпроводником при формировании из него ультратонких пленок (нанолистов) толщиной менее одного нанометра (1 нм = одна миллиардная доля метра). Расчеты проводились методом ab-initio, без использования подгоночных параметров, на основе фундаментальных вычислений электронной и решеточной структуры материала.
Ключевым результатом является предсказание зависимости критической температуры (Tc) от толщины пленки магния. Расчеты показывают, что Tc может достигать значения 10 Кельвинов (К) для нанолистов магния толщиной около 0.5 нанометра. Это неожиданно высокое значение для элемента, не являющегося сверхпроводником в объемном состоянии.
Практическая значимость предсказанной Tc в 10 К огромна. Такая температура позволяет использовать для охлаждения стандартный и относительно доступный жидкий гелий, который обеспечивает охлаждение до 4.5 К. Это выгодно отличает магний от необходимости применения более сложных и дорогих криогенных технологий.
Потенциальное влияние этого открытия, если оно будет подтверждено экспериментально, распространяется на области квантовой электроники и квантовой информации. Одним из ключевых применений может стать создание кубитов — фундаментальных единиц квантовой информации, способных находиться в состоянии суперпозиции (одновременно 0 и 1).
В настоящее время для создания кубитов часто используется алюминий (Al). Однако его критическая температура сверхпроводимости составляет всего 1.6 К. Это значение находится ниже стандартной температуры охлаждения жидким гелием (4.5 К), что требует дополнительных, более сложных систем охлаждения для поддержания сверхпроводящего состояния алюминиевых кубитов.
Предсказанная для нанолистов магния Tc в 10 К значительно превышает Tc алюминия (1.6 К) и комфортно укладывается в диапазон охлаждения жидким гелием. Переход на использование магния вместо алюминия в квантовых устройствах мог бы не только повысить эффективность охлаждения, но и сделать технологии квантовых вычислений значительно более экологически устойчивыми.
