Международная исследовательская группа обнаружила сверхпроводимость — способность без сопротивления проводить электричество — при самых высоких из когда-либо зарегистрированных температур.
Используя передовые технологии, физики изучили класс материалов, в которых они наблюдали сверхпроводимость при температуре около минус 23 градусов по Цельсию — что означает скачок на 50 градусов по сравнению с предыдущим подтвержденным наблюдением.
Хотя сверхпроводимость произошла при чрезвычайно высоком давлении, результат все же представляет собой большой шаг к созданию сверхпроводимости при комнатной температуре — конечная цель для ученых, чтобы иметь возможность использовать это явление для передовых технологий. Результаты были опубликованы 23 мая в журнале Nature.
Подобно тому, как медный провод проводит электричество лучше, чем резиновый, некоторые виды материалов лучше проводят электричество и становятся при определенных условиях сверхпроводящими — состояние, определяемое двумя основными свойствами: материал обладает нулевым сопротивлением электрическому току и не дает проникать магнитным полям. Потенциальные возможности для этого столь же обширны, сколь и захватывающи: электрические провода без уменьшающихся токов, чрезвычайно быстрые суперкомпьютеры и эффективные поезда с магнитной левитацией.
Но ученым ранее удавалось создавать сверхпроводящие материалы только тогда, когда они охлаждались до чрезвычайно низких температур — первоначально до минус 240 градусов по Цельсию, а в последнее время около минус 73 градусов по Цельсию. Поскольку такое охлаждение является дорогостоящим, оно ограничило их применение в мире в целом.
Недавние теоретические предсказания показали, что новый класс материалов сверхпроводящих гидридов может проложить путь к высокотемпературной сверхпроводимости. Исследователи из Института химии Макса Планка в Германии объединились с учеными Чикагского университета для создания одного из этих материалов, называемого супергидридами лантана, для проверки его сверхпроводимости и определения его структуры и состава.
Единственным ограничением было то, что материал нужно было поместить под чрезвычайно высокое давление — от 150 до 170 гигапаскалей, что более чем в полтора миллиона раз превышало давление на уровне моря. Только в этих условиях высокого давления материал — крошечный образец размером всего в несколько микрон — демонстрировал сверхпроводимость при новой рекордной температуре.
Фактически, материал показал три из четырех характеристик, необходимых для доказательства сверхпроводимости: он потерял свое электрическое сопротивление, снизил критическую температуру под воздействием внешнего магнитного поля и показал изменение температуры, когда некоторые элементы были заменены различными изотопами. Четвертая характеристика, называемая эффектом Мейснера, при которой материал вытесняет любое магнитное поле, не была обнаружена. Это потому, что материал настолько мал, что этот эффект не наблюдался, считают исследователи.
Ученые использовали усовершенствованный источник фотонов в Аргоннской национальной лаборатории, который предоставляет ультра-яркие, высокоэнергетические рентгеновские лучи, которые позволили совершить прорыв во всем — от лучших батарей до понимания глубин Земли, для анализа материала.
В ходе эксперимента исследователи из Чикагского университета сжимали крошечный образец материала между двумя маленькими алмазами, чтобы оказать необходимое давление, а затем использовали рентгеновские лучи линии, чтобы исследовать ее структуру и состав.
Поскольку температуры, используемые для проведения эксперимента, находятся в пределах нормального диапазона во многих местах в мире, это делает конечную цель достижения комнатной температуры — или, по крайней мере, 0 градусов Цельсия — доступной.
Команда ученых продолжает работать, чтобы найти новые материалы, которые могут создать сверхпроводимость при более разумных условиях.
«Наша следующая цель — снизить давление, необходимое для синтеза образцов, приблизить критическую температуру к температуре окружающей среды и, возможно, даже создать образцы, которые можно синтезировать при высоких давлениях, но при этом сверхпроводящие при нормальных давлениях», — говорят исследователи. «Мы продолжаем искать новые и интересные соединения, которые принесут нам новые и часто неожиданные открытия».
A. P. Drozdov et al. Superconductivity at 250 K in lanthanum hydride under high pressures, Nature (2019). DOI: 10.1038/s41586-019-1201-8