Достигнут новый рекорд сверхпроводимости при обычном атмосферном давлении

Исследователи из Техасского центра сверхпроводимости (TcSUH) при Хьюстонском университете совместно с коллегами из Гавайского университета под руководством Чинг-Ву Чу и Лянцзы Дэна установили новый рекорд сверхпроводимости, достигнув температуры перехода в 151 Кельвин (минус 122 градуса Цельсия) при нормальном атмосферном давлении. Результаты этого прорывного исследования, которое может привести к революции в способах генерации, передачи и хранения энергии, были опубликованы в авторитетном журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

Команда физиков совершила значительный прорыв в области физики твердого тела. Ученым удалось побить температурный рекорд сверхпроводимости при обычном атмосферном давлении, существовавший более четверти века. Они достигли температуры перехода (Tc) в 151 Кельвин, что примерно соответствует минус 122 градусам Цельсия.

Это самая высокая температура, при которой материал проявляет сверхпроводящие свойства в условиях нормального атмосферного давления с момента открытия самого явления в 1911 году. Предыдущий рекорд принадлежал керамике на основе оксида меди с ртутью (Hg1223), открытой в 1993 году, которая оставалась сверхпроводящей до 133 К (минус 140 градусов Цельсия).

Сверхпроводники, материалы, позволяющие электрическому току протекать через себя без какого-либо сопротивления, имеют огромный потенциал для практического применения. Они могут произвести революцию в энергетике, сократив потери при передаче электроэнергии по сетям, которые в настоящее время составляют около 8%, что эквивалентно экономии многих миллиардов долларов во всем мире и снижению воздействия на окружающую среду.

Кроме того, эти материалы критически важны для создания более совершенных систем медицинской визуализации, таких как МРТ, развития технологий термоядерного синтеза и разработки сверхбыстрой электроники. Главным препятствием для их широкого использования всегда была необходимость экстремального охлаждения, что делало технологии дорогими и сложными. Повышение критической температуры приближает нас к созданию материалов, работающих в условиях, близких к обычным.

Ключом к успеху стал инновационный метод, который исследователи назвали «закалкой под давлением». Этот подход, широко используемый в других областях, например, при синтезе искусственных алмазов, был впервые столь эффективно применен к сверхпроводникам. Суть метода заключается в следующем: сначала на материал оказывается экстремально высокое давление, которое оптимизирует его кристаллическую структуру и усиливает сверхпроводящие свойства. Затем, не снимая давления, образец охлаждается до определенной температуры.

После этого давление сбрасывается мгновенно, что позволяет «зафиксировать» улучшенную структуру материала и, как следствие, его высокую критическую температуру даже после возврата к нормальным условиям. Как пояснил Лянцзы Дэн, доцент физики и ведущий автор статьи: «Как только мы доводим материал до нормального атмосферного давления, ученым становится гораздо проще использовать хорошо разработанные приборы для его исследования и дальнейшего развития технологий для работы в условиях обычной окружающей среды».

Чинг-Ву Чу, профессор физики и директор-основатель Техасского университета в Хьюстоне, имеющий богатую историю открытий в этой области (в 1987 году он обнаружил знаменитый иттрий-бариевый сверхпроводник YBCO), подчеркивает важность командной работы и продолжения исследований. Он отметил, что хотя достижение сверхпроводимости при комнатной температуре (около 300 К) и нормальном атмосферном давлении остается «святым Граалем», их прорыв доказывает, что путь к этой цели найден.

«Наш метод показывает, что это состояние можно сохранить и без поддержания давления», — добавил профессор физики Чинг-Ву Чу.

В дополнение к экспериментальной работе, исследование получило теоретическое обоснование в сопутствующей статье, опубликованной в том же номере PNAS при поддержке основного спонсора — компании Intellectual Ventures. В ней описываются шесть различных методов настройки свойств материалов для достижения высокотемпературной сверхпроводимости, среди которых метод закалки под давлением занимает центральное место.

В итоге, исследование научной группы знаменует собой важнейший шаг на пути к практическому применению сверхпроводимости. Установив новый рекорд в 151 К при обычном атмосферном давлении и продемонстрировав эффективность метода «закалки под давлением», ученые не только преодолели четвертьвековой барьер, но и предоставили научному сообществу мощный инструмент для дальнейшего поиска.

Хотя до заветной комнатной температуры еще далеко — разрыв составляет около 140 градусов, этот прорыв показывает, что цель становится ближе, а консолидированные усилия физиков, химиков и материаловедов могут привести к созданию стабильных сверхпроводников, работающих в условиях обычной окружающей среды.