Явление сверхпроводимости известно уже почти сто лет, однако до сих пор это считается одним из самых поражающих воображение «фокусов» природы. Ток, который способен существовать бесконечно долго, казалось бы, противоречит всем законам физики. Тем не менее фантастическая сверхпроводимость существует и даже имеет свое научное объяснение, а прорывные работы в этой области неоднократно приносили их авторам Нобелевские премии.

Татьяне Батуриной, старшему научному сотруднику Института физики полупроводников Сибирского отделения РАН, и директору Института теоретического материаловедения Аргоннской национальной лаборатории (США) Валерию Винокуру удалось обнаружить не менее уникальное явление. Оказывается, у сверхпроводимости существует свой «антипод» -- сверхизоляция. Более того, как ни удивительно, к образованию таких сверхизоляторов, согласно объяснению авторов исследования, приводят почти те же физические эффекты, которые работают в классических сверхпроводниках.

Открытие сверхизоляции, сообщение о котором физики опубликовали 3 апреля в журнале Nature, как, наверное, и всякое открытие, произошло вследствие стечения счастливых обстоятельств. Татьяна Батурина долгое время работала с тонкими пленками нитрида титана (TiN) вблизи так называемой точки перехода сверхпроводник--изолятор. Речь идет об известном около двадцати лет явлении, когда при уменьшении толщины пленки до наноразмеров (10--100 ангстрем) некоторые материалы перестают быть сверхпроводниками и становятся изоляторами. Во время экспериментов при ультранизких температурах Батуриной удалось обнаружить неожиданный эффект: оказалось, что при некоторой температуре сопротивление пленки скачком увеличивается почти в миллион раз. В этот момент происходит переход в новое особое состояние вещества: пленка становится сверхизолятором и практически перестает проводить электрический ток.

По словам Валерия Винокура, работавшего с Татьяной Батуриной над этой проблемой в рамках программы международного сотрудничества ученых Global Network, основанной Институтом теоретического материаловедения, сверхизоляция есть обратная сторона сверхпроводимости. Внутри сверхпроводящего материала электроны притягиваются друг к другу, образуя т.н. «куперовские пары» (по имени американского физика Леона Купера, получившего в 1972 году вместе с Джоном Бардином и Джоном Шриффером Нобелевскую премию за теоретическое объяснение сверхпроводимости). «Куперовские пары объединяются в «коллектив», который реагирует на внешнее воздействие как единое целое», - говорит Винокур. При движении такой коллектив не ощущает препятствий, которые в обычных проводниках приводят к потере мощности. Другими словами, электрическое сопротивление сверхпроводника оказывается равным нулю.

«Однако то же самое явление куперовского спаривания, лежащее в основе сверхпроводимости, может приводить и к обратному эффекту: появлению сверхизоляции. В этом случае движение зарядов полностью блокируется, то есть электрическое сопротивление материала становится бесконечным, - отмечает Валерий Винокур. - Вблизи перехода сверхпроводник-изолятор пленка состоит из островков, или «лужиц» (puddles) - сверхпроводящих капелек, которые изолированы друг от друга». То есть единого коллектива куперовских пар электронов в масштабе всего проводника не существует, такой коллектив существует лишь внутри каждой лужицы. Подобный материал пусть слабо, но проводит электрический ток за счет туннельного эффекта, «пробивающего» сопротивление разделяющего «лужицы» диэлектрика. Но в экспериментах Татьяны Батуриной при понижении температуры в материале исчезали даже туннельные токи и происходил резкий скачок сопротивления.

При подаче напряжения на такой сверхизолятор островки сверхпроводимости резко поляризуются, говорит Валерий Винокур. Внутри каждой лужицы отрицательный и положительный заряды легко разделяются, из-за чего в материале создаются мощные электрические поля, направленные в противоположном направлении, которые полностью «уничтожают» напряжение и стопорят образование даже туннельных токов.

Сходства и различия механизмов сверхпроводимости и сверхизоляции базируются на основных принципах квантовой механики. Так, заряд электрона и фаза его волновой функции являются дополнительными друг к другу, то есть измерить их одновременно невозможно. В сверхпроводящем состоянии фаза волновой функции «коллектива» куперовских пар точно зафиксирована. Соответственно, определить заряд, переносимый этим коллективом, невозможно, что и приводит к существованию сверхпроводящего тока. Как отмечает Винокур, в сверхизоляторе ситуация обратная: в любой момент можно понять где и какой заряд находится, но нельзя определить фазу, она может быть любой. Это приводит к тому, что возникновение тока становится невозможным.

О возможных практических применениях сверхизоляции авторы предпочитают говорить осторожно. В настоящее время это явление важно для фундаментальной физики - как экспериментальная демонстрация необычного эффекта, обратного сверхпроводимости. С другой стороны, Валерий Винокур замечает, что хотя «в ближайший месяц» коммерческого применения у сверхизоляции ожидать трудно, «когда нужно, технология может работать замечательно быстро». Как много раз доказывалось, если у нового открытия появляются перспективы применения в прикладных областях, инженерный прогресс может идти с удивительной скоростью.

«Если замкнуть сверхпроводник в кольцо, то по этому кругу ток может бежать бесконечно долго, - объясняет Винокур. - Это можно назвать и вечным двигателем. С другой стороны, сверхизолятор бесконечно долго будет хранить запасенный в нем заряд, получается, что его можно считать «вечной батарейкой». Хотя пока явление сверхизоляции фиксировалось Татьяной Батуриной лишь при ультранизких температурах (десятки милликельвин), ученые видят возможности значительного повышения рабочих температур эффекта. Вспомним, что до середины 80-х годов прошлого века считалось, что и сверхпроводимость возможна лишь при температуре не выше пары десятков кельвинов. Однако открытие новых керамических сверхпроводящих материалов подняло потолок сверхпроводимости более чем до 100 кельвин и уже привело к созданию электронных устройств на их основе.