Сверхпроводимость при комнатной температуре

Исследователи из Университета Джорджа Вашингтона сделали важный шаг к достижению одной из самых популярных целей в физике: сверхпроводимости при комнатной температуре.

Сверхпроводимость — это отсутствие электрического сопротивления, которое наблюдается во многих материалах, когда они охлаждаются ниже критической температуры. До сих пор считалось, что сверхпроводящие материалы должны охлаждаться до очень низких температур (минус 180 градусов по Цельсию или минус 292 градусов по Фаренгейту, 93°К), что ограничивало их применение.

Поскольку электрическое сопротивление делает систему неэффективной, устранение этого сопротивления за счет использования сверхпроводников при комнатной температуре позволит более эффективно вырабатывать и использовать электричество, улучшать передачу энергии по всему миру и создавать более мощные вычислительные системы.

«Сверхпроводимость является, пожалуй, одним из последних великих рубежей научных открытий, которые могут выйти за рамки повседневных технологических применений», — сказала Мэддури Сомаязулу, доцент, исследователь в Школе инженерии и прикладных наук GW. «Сверхпроводимость при комнатной температуре была общеизвестным «святым Граалем», ждущим своего появления, и достижение его — хотя и при 2 миллионах атмосфер — является изменяющим парадигму моментом в истории науки».

Ключом к этому открытию стало создание металлического, обогащенного водородом соединения при очень высоком давлении: примерно 2 миллиона атмосфер. Исследователи использовали ячейки с алмазными наковальнями, устройства, используемые для создания высоких давлений, чтобы сжать крошечные образцы лантана и водорода. Затем они нагревали образцы и наблюдали значительные изменения в структуре. Это привело к созданию новой структуры, LaH10, которая, как ранее предсказывали исследователи, станет сверхпроводником при высоких температурах.

Поддерживая образец при высоком давлении, ученые наблюдали воспроизводимые изменения электрических свойств. Они измерили значительные падения удельного сопротивления, когда образец охладился ниже 260°К (минус 13°C или 8°F) при 180-200 гигапаскалях давления, что свидетельствует о сверхпроводимости при достаточно высокой температуре.

В последующих экспериментах исследователи увидели, что переход происходит даже при более высоких температурах, вплоть до 280°К (+7°С). Во время экспериментов исследователи также использовали дифракцию рентгеновских лучей, чтобы наблюдать то же явление. Это было сделано с помощью линии синхротронного излучения усовершенствованного источника фотонов в Аргоннской национальной лаборатории.

«Мы считаем, что это начало новой эры сверхпроводимости», — сказал Рассел Хемли, профессор исследований в Школе инженерии и прикладных наук GW. «Мы исследовали только одну химическую систему — редкоземельный La и водород. В этой системе есть дополнительные структуры, но, что более важно, есть много других богатых водородом материалов, подобных этим, с различным химическим составом. Мы уверены, что многие другие гидриды — или супергидриды — будут обнаружены при еще более высоких температурах перехода под давлением».

Maddury Somayazulu et al. Evidence for Superconductivity above 260 K in Lanthanum Superhydride at Megabar Pressures, Physical Review Letters (2019). DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.027001