Сверхпроводниковая особенность возникает при температурах, которые раньше считались невозможными
Важнейшая особенность сверхпроводимости наблюдалась при гораздо более высоких температурах, чем предполагали ученые.
Физики обнаружили, что электроны объединяются в пары так, как это происходит в сверхпроводящих материалах, в неожиданном материале, при температуре выше той, при которой подобные материалы обеспечивают сверхпроводимость.
Сверхпроводимость описывает способ, которым электроны движутся через материал без какого-либо сопротивления и последующей потери энергии. Ученые наблюдали это явление во многих различных материалах, но есть одна проблема. Похоже, что добиться этого явления можно только при чрезвычайно низких температурах, близких к абсолютному нулю (-273,15 градусов по Цельсию), или чуть менее низких температурах с большим давлением.
Хотя электроны в недавно протестированных материалах не достигли потока без сопротивления, их спаривание является критически важным шагом, необходимым для того, чтобы это произошло, потенциально приводя к сверхпроводимости, для которой не потребуется большого оборудования.
«Пары электронов говорят нам, что они готовы стать сверхпроводниками, но что-то их останавливает», — говорит физик Кэ-Цзюнь Сюй из Стэнфордского университета. «Если мы сможем найти новый метод синхронизации пар, мы сможем применить его для создания сверхпроводников с более высокой температурой».
Материал представляет собой слоистый кристалл на основе меди или купрат, называемый оксидом неодима, церия и меди ( Nd2-xCexCuO4 ). При низких температурах кристалл проявляет сверхпроводимость, однако при более высоких температурах он становится значительно более устойчивым.
Теперь, чтобы появилась сверхпроводимость, электронам необходимо, чтобы их квантовая идентичность была запутана, превращая их в то, что известно как куперовская пара. Только тогда они смогут плавно пройти через «атомный лес» с нулевыми усилиями.
Обычные сверхпроводники, которые обладают сверхпроводимостью при температуре ниже 25 Кельвинов (-248 градусов по Цельсию), запутывают свои электроны за счет вибраций в основном материале.
Купраты — нетрадиционные сверхпроводники, проявляющие сверхпроводимость при температурах до 130 Кельвинов. Ученые полагают, что существует другой механизм, ответственный за спаривание электронов в этих материалах, однако точный процесс все еще неясен.
Оксид неодима, церия, меди, который изучали ученые, похож на обычный сверхпроводник в том смысле, что он не демонстрирует явления при температуре выше 25 Кельвинов, что позволяет им изучать стадии сверхпроводимости. Поскольку электроны запутываются, они становятся менее устойчивыми к вылету из материала при повышении температуры; то есть материал теряет энергию с меньшей скоростью. Это известно как разрыв пары.
Ученые заметили, что их материал сохраняет больше энергии при температурах до 140 Кельвинов (-133 градусов по Цельсию), что намного выше, чем температура перехода в сверхпроводимость в 25 Кельвинов. Это говорит о том, что электроны образуют куперовские пары при довольно высоких температурах.
До сих пор не ясно, что послужило причиной создания пары. И конкретный материал может быть не тем, который приведет нас к сверхпроводимости при комнатной температуре. Но в будущем это может стать средством поиска ответов и материала.
Сверхпроводимость при температуре окружающей среды имеет очень большое значение. Но достичь ее оказалось невероятно сложно. Ранее было несколько заявленных материалов, таких как широко разрекламированный LK-99, но все они ни к чему не привели.
Прогресс, вероятно, будет более постепенным – например, наблюдение некоторых особенностей сверхпроводимости в высокотемпературных материалах, выяснение того, почему это происходит, продвижение шаг за шагом.
«Наши результаты открывают новый потенциально путь вперед», — говорят ученые. «Мы планируем изучить этот разрыв спаривания в будущем, чтобы помочь в разработке сверхпроводников с использованием новых методов. С одной стороны, мы планируем использовать аналогичные экспериментальные подходы, чтобы получить дальнейшее понимание этого некогерентного состояния спаривания. С другой стороны, мы хотим найти способы манипулировать этими материалами, чтобы, возможно, заставить эти некогерентные пары синхронизироваться».
Исследование опубликовано в журнале Science.