Физики объяснили, что общего у сверхпроводника и полосок чешуи рыбы. Исследование ВШЭ и МФТИ

Ученые МИЭМ НИУ ВШЭ и МФТИ показали, что в сверхпроводниках могут появляться очень сложные пространственные структуры, похожие на узоры, наблюдаемые в природе. Математически такие узоры описываются с помощью уравнения Гинзбурга — Ландау вблизи особой комбинации параметров, называемой точкой Богомольного. Исследование опубликовано в Journal of Physics: Condensed Matter.

Один из интересных и не до конца понятных вопросов в науке — как достаточно простые законы природы приводят к появлению сложнейших узоров (паттернов), например, рисунков полосок зебры или чешуи рыбы.

Ученые давно пытаются выяснить, как в природе появляются такие паттерны. Первое объяснение в 1952 году предложил математик Алан Тьюринг. Согласно его теории, сложные паттерны возникают из-за конкуренции между простыми взаимодействиями внутри системы. Например, в химических реакциях паттерны формируются под воздействием двух основных механизмов: диффузии и автокатализа. Однако модель Тьюринга не объясняет все природные явления.

Ученые из ВШЭ и МФТИ совместно с физиками из Федерального университета Пернамбуку (Бразилия) обнаружили, что формирование сложных узоров в природе также можно объяснить с помощью уравнения Гинзбурга — Ландау, описывающего, как меняется состояние сверхпроводника под воздействием магнитного поля.

«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»

— Алексей Вагов, один из авторов статьи, профессор МИЭМ НИУ ВШЭ.

Сверхпроводник — материал, который проводит электрический ток без сопротивления, то есть без потерь электричества. 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, например, решетку вихрей. В своем исследовании ученые изучили, как изменяется магнитное поле около точки Богомольного под воздействием внешних условий.

Например, в сверхпроводниках возникают структуры, в которых области без магнитного поля сосуществуют с областями, где магнитное поле образовывает решетки вихрей. Однако в сверхпроводящей пленке могут возникнуть экзотические паттерны, похожие на распределение заболевших в пандемию ковида.

«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»

— Алексей Вагов.

Ученые предполагают, что эффекты в сверхпроводниках можно использовать при создании измерительных приборов. Например, отслеживая изменения конфигурации внутри сверхпроводника, можно измерить, насколько изменилась температура, ток или геометрия образца.

«Начиная с 2018 года мы первыми в мире провели и опубликовали серию экспериментальных исследований, в которых обнаружили и описали процесс формирования паттернов на мезоскопическом масштабе в ферромагнитных сверхпроводниках»

— Василий Столяров, один из авторов статьи, директор Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ.