Ученые открыли новый уникальный сверхпроводник

Исследователи обнаружили металлический сплав, который может проводить электричество с нулевым сопротивлением и быть сверхпроводником при давлении от атмосферного давления до давления, подобного тому, которое существуют вблизи центра Земли. Материал, который, вероятно, первым показал такую сверхпроводимость, описан в статье в выпуске «Известия Национальной академии наук» (Proceedings of the National Academy of Sciences).

Материал является представителем нового семейства металлических сплавов, известных как высокоэнтропийные сплавы (ВЭС, англ. HEA, high-entropy alloys), так как процессы структуро- и фазообразования в них, а также диффузионная подвижность атомов, механизм формирования механических свойств и термическая стабильность существенно отличаются от аналогичных процессов в традиционных сплавах. ВЭС имеют простые кристаллические структуры, но металлы расположены случайным образом в точках решетки, что дает каждому сплаву свойства как стекла, так и кристаллического материала.

ВЭС, изученный в этой работе, уникален тем, что он может с сохранением свойств непрерывно переходить от низкого к высокому давлению — даже при воздействии давлений, близких к тем, которые существуют во внешней области ядра нашей планеты. Это открытие было сделано группой ученых из Института физики при Китайской академии наук и химического факультета Принстонского университета. Изучаемые сплав состоит из тантала (Ta), ниобия (Nb), гафния (Hf), циркония (Zr) и титана (Ti).

«Мы наблюдали, что этот сплав остается в состоянии нулевого электрического сопротивления на всем пути от одного бара давления до давления внешнего ядра Земли без структурных изменений», — сказал один из старших исследователей исследования, профессор Лилинг Сан Институт физики в Пекине.

Роберт Кава (Robert Cava), профессор химии в Принстоне, еще один старший автор, добавил: «Это замечательная вещь — мы не знаем другого подобного материала — и это делает этот ВЭС перспективным кандидатом на новые применения сверхпроводников в экстремальных условиях».

Давление является одной из внешних переменных, которые могут выявить неожиданные характеристики материала. В сверхпроводниках, например, применение давления изменило критические температуры (температура, ниже которой материал будет сверхпроводником) и индуцированную сверхпроводимость в материалах, которые иначе не проявили бы этого явления.

Здесь группа прикладывала давление к сплаву с помощью ячейки алмазной наковальни, устройства, которое использует полированные поверхности двух алмазов — одного из самых твердых материалов на Земле — для сжатия образца, размещенного между ними. Чтобы произвести достаточно высокое давление для выполнения измерений на ВЭС, размер каждой наковальни алмаза — «точка» на дне драгоценного камня — составлял 40 микрон (миллионных долей метра), что составляет примерно половину диаметра человека волосы.

Чтобы отслеживать возможные структурные изменения, когда образец находился в ячейке алмазной наковальни, группа использовала рентгеновскую дифракцию на основе синхротрона (XRD) на Шанхайском синхротронном радиационном объекте. XRD позволяет исследователям получать структурную информацию о кристаллическом образце, полученной рентгеновскими лучами после их дифрагирования от атомов в образце. Они объединили эти методы с дополнительными измерениями удельного сопротивления и магнитосопротивления для характеристики сверхпроводимости.

Результаты показывают, что ВЭС сохраняет основную кристаллическую структуру, несмотря на значительное сжатие объема образца (например, когда давление составляло около 96 ГПа, объем был снижен примерно на 28 процентов).

Сан, Кава и их коллеги связывают уникальное поведение и стабильность материала с его кристаллической структурой в сочетании с кажущейся надежной природой его электронной структуры при очень большом сжатия решетки.

Больше информации: J. Guo et al, «Robust zero resistance in a superconducting high-entropy alloy at pressures up to 190 GPa.» Proc Natl Acad Sci, 114 (2018), DOI: 10.1073/pnas.1716981114

Высокоэнтропийные сплавы (ВЭС) — сплавы, которые содержат не менее 5 элементов, причём количество каждого из них не должно превышать 35 ат % и не должно быть меньше 5 ат. %. Для таких сплавов характерны повышенные, по сравнению с традиционными многокомпонентными сплавами, значения энтропии смешения S_mix. Классическими примерами ВЭСов являются многокомпонентные сплавы, в которых элементы находятся в равной атомной доле. Источник — википедия