Физики обнаружили поведение сверхпроводников при температурах, которые когда-то считались невозможными

Ученые наблюдали неожиданное новое поведение сверхпроводящего материала. Если физики смогут выяснить причину, это может помочь им найти сверхпроводники при комнатной температуре.

Ученые обнаружили ключевой процесс, необходимый для сверхпроводимости, происходящей при более высоких температурах, чем считалось ранее. Это может быть небольшим, но важным шагом в поисках одного из «святых Граалей» физики — сверхпроводника, работающего при комнатной температуре.

Открытие, сделанное внутри необычного материала электрического изолятора, показывает, что электроны объединяются в пары при температурах до минус 190 градусов по Фаренгейту (минус 123 градуса по Цельсию) — один из секретных ингредиентов для почти безпотерьного потока электричества в чрезвычайно холодных сверхпроводящих материалах. Пока что физики озадачены тем, почему это происходит. Но понимание этого может помочь им найти сверхпроводники при комнатной температуре. Исследователи опубликовали свои выводы 15 августа в журнале Science.

«Электронные пары говорят нам, что они готовы стать сверхпроводящими, но что-то их останавливает», — сказал в своем заявлении соавтор Кэ-Джун Сюй, аспирант прикладной физики Стэнфордского университета. «Если мы сможем найти новый метод синхронизации пар, мы могли бы применить его для возможного создания сверхпроводников с более высокой температурой». Сверхпроводимость возникает из волн, оставляемых электронами, когда они движутся через материал.

При достаточно низких температурах эти волны притягивают атомные ядра друг к другу, в свою очередь вызывая небольшое смещение заряда, которое притягивает второй электрон к первому. Обычно два отрицательных заряда должны отталкиваться друг от друга. Но вместо этого происходит нечто странное: электроны связываются в «куперовскую пару».

Куперовские пары следуют иным квантово-механическим правилам, чем одинокие электроны. Вместо того, чтобы выстраиваться наружу в энергетических оболочках, они действуют как частицы света, бесконечное число которых может занимать одну и ту же точку пространства одновременно. Если достаточное количество этих куперовских пар создается в материале, они становятся сверхтекучей жидкостью, текущей без потери энергии из-за электрического сопротивления.

Первые сверхпроводники, открытые голландским физиком Хайке Камерлинг-Оннесом в 1911 году, переходили в это состояние нулевого электрического сопротивления при невообразимо низких температурах — около абсолютного нуля (минус 459,67 F или минус 273,15 C). Однако в 1986 году физики обнаружили материал на основе меди, называемый купратом, который становится сверхпроводником при гораздо более высокой (но все еще очень холодной) температуре минус 211 F (минус 135 C).

Физики надеялись, что это открытие приведет их к сверхпроводникам при комнатной температуре. Однако понимание того, что заставляет купраты демонстрировать свое необычное поведение, замедлилось, и в прошлом году вирусные заявления о жизнеспособных сверхпроводниках комнатной температуры закончились обвинениями в фальсификации данных и разочарованием. Для дальнейшего изучения ученые, стоящие за новым исследованием, обратились к купрату, известному как оксид неодима церия меди.

Максимальная температура сверхпроводимости этого материала относительно низкая и составляет минус 414,67 F (минус 248 C), поэтому ученые не стали его подробно изучать. Но когда исследователи посветили на его поверхность ультрафиолетовым светом, они заметили нечто странное.

Обычно, когда пакеты света или фотоны попадают в купрат, который несет неспаренные электроны, фотоны дают электронам достаточно энергии, чтобы вылететь из материала, заставляя его терять много энергии. Но электроны в куперовских парах могут сопротивляться их фотонному вытеснению, заставляя материал терять лишь немного энергии. Несмотря на то, что его состояние нулевого сопротивления возникает только при очень низких температурах, исследователи обнаружили, что энергетический зазор сохранялся в новом материале до 150 К, и что спаривание было, как ни странно, самым сильным в большинстве образцов, лучше всего сопротивляющихся потоку электрического тока.

Это означает, что, хотя купрат вряд ли достигнет сверхпроводимости при комнатной температуре, он может содержать некоторые подсказки в поиске материала, который сможет это сделать. «Наши результаты открывают потенциально богатый новый путь вперед. Мы планируем изучить этот зазор спаривания в будущем, чтобы помочь спроектировать сверхпроводники с использованием новых методов», — сказал в заявлении старший автор Чжи-Сюнь Шэнь, профессор физики в Стэнфорде. «С одной стороны, мы планируем использовать аналогичные экспериментальные подходы, чтобы глубже понять это некогерентное состояние спаривания. С другой стороны, мы хотим найти способы манипулирования этими материалами, чтобы, возможно, заставить эти некогерентные пары синхронизироваться».