Сверхпроводимость — это явление, при котором электрическая цепь теряет сопротивление и становится чрезвычайно эффективной при определенных условиях. Это может произойти разными способами, которые считались несовместимыми. Впервые исследователи обнаружили мост между двумя из этих методов для достижения сверхпроводимости. Новые знания могут привести к более общему пониманию явления и однажды к практическим приложениям.
Есть три хорошо известных состояния вещества: твердое, жидкое и газообразное. Существует четвертое состояние материи, называемое плазмой, которое похоже на настолько горячий газ, что все составляющие его атомы разошлись, оставив после себя супер-горячий беспорядок из субатомных частиц. Но есть пятое состояние вещества на противоположном конце термометра, известное как конденсат Бозе-Эйнштейна (БЭК, англ. BEC).
«BEC — это уникальное состояние вещества, поскольку оно состоит не из частиц, а из волн», — говорит Козо Окадзаки из Института физики твердого тела Токийского университета.
«По мере того, как они охлаждаются почти до абсолютного нуля, атомы некоторых материалов размазываются по пространству. Это размазывание увеличивается до тех пор, пока атомы — теперь больше похожие на волны, чем на частицы — перекрываются, становясь неотличимыми друг от друга. Получающаяся в результате материя ведет себя так, как будто она едина — единый объект с новыми свойствами, которых не хватало в предшествующих состояниях твердого тела, жидкости или газа, таких как сверхпроводимость. До недавнего времени сверхпроводящие БЭК были чисто теоретическими, но теперь мы продемонстрировали это в лаборатории с новым материалом на основе железа и селена. »
Это первый случай, когда БЭК был экспериментально подтвержден как сверхпроводник; однако другие проявления материи или режимы также могут вызывать сверхпроводимость.
Режим Бардина-Купера-Шриффера (BCS) — это такое состояние вещества, при котором при охлаждении почти до абсолютного нуля составляющие его атомы замедляются и выстраиваются в линию, что позволяет электронам легче через них проходить. Это фактически сводит электрическое сопротивление таких материалов к нулю. И BCS, и БЭК требуют условий холода, и оба связаны с замедлением атомов. Но в остальном эти режимы совершенно разные. Долгое время исследователи считали, что можно было бы достичь более общего понимания сверхпроводимости, если бы эти режимы каким-то образом перекрывались.
«Демонстрация сверхпроводимости БЭК была средством для достижения цели; мы действительно надеялись изучить перекрытие между БЭК и BCS», — сказал Окадзаки. «Это было чрезвычайно сложно, но наш уникальный прибор и метод наблюдения подтвердили это — между этими режимами существует плавный переход. И это намекает на более общую теорию, лежащую в основе сверхпроводимости. Сейчас захватывающее время для работы в этой области. »
Окадзаки и его команда использовали метод сверхнизкотемпературной фотоэмиссионной спектроскопии с высоким разрешением и лазерной фотоэмиссией, чтобы наблюдать за поведением электронов во время перехода материала от BCS к BEC. Электроны ведут себя по-разному в двух режимах, и переключение между ними помогает заполнить некоторые пробелы в более широкой картине сверхпроводимости.
Однако сверхпроводимость — это не просто лабораторная диковинка; сверхпроводящие устройства, такие как электромагниты, уже используются в приложениях. Большой адронный коллайдер, крупнейший в мире ускоритель частиц, является одним из таких примеров.
Однако, как объяснено выше, для этого требуются ультрахолодные температуры, которые препятствуют разработке сверхпроводящих устройств, которые мы могли бы ожидать видеть каждый день. Так что неудивительно, что существует большой интерес к поиску способов формирования сверхпроводников при более высоких температурах, возможно, даже при комнатной температуре.
«Имея убедительные доказательства существования сверхпроводящих БЭК, я думаю, это подтолкнет других исследователей к изучению сверхпроводимости при все более высоких температурах», — сказал Окадзаки. «На данный момент это может звучать как научная фантастика, но если сверхпроводимость может возникать при температуре около комнатной, наша способность производить энергию значительно возрастет, а наши потребности в энергии уменьшатся».
Hashimoto et al., Bose-Einstein condensation superconductivity cinduced by disappearance of the nematic state. Science Advances (2020). DOI: 10.1126/sciadv.abb9052