RW Space

Сверхпроводящие материалы могли бы совершить революцию в электронике – если бы только они не были такими суетливыми.

Приведение материалов в такое состояние, когда электрические токи текут свободно, без какого-либо сопротивления, требует либо чрезвычайно низких температур, либо чрезвычайно высоких давлений, либо того и другого.

Это означает, что любые преимущества, которые вы можете получить в реальном мире – например, в электромобилях, которые перезаряжаются мгновенно – будут сведены на нет необходимостью носить с собой криогенную морозильную камеру или элемент с алмазной наковальней в спине.

Но теперь ученые стали на шаг ближе к созданию сверхпроводящих материалов, которые работают при температуре и давлении, близком к обычным.

Команда под руководством физиков из Университета Хьюстона только что установила новый мировой рекорд сверхпроводимости, достигнув самой высокой температуры при атмосферном давлении.

Эта температура может показаться не очень высокой – высокие -122,15 градусов по Цельсию (-187,87 градусов по Фаренгейту) – но это действительно очень жарко по сравнению с обычным требованием, чтобы температура была всего на волосок выше абсолютного нуля (-273,15 градусов по Цельсию).

Новый рекорд также помогает выйти из многолетнего тупика в исследованиях сверхпроводников и повышает температуру почти на 20 градусов по Цельсию.

«Это важный шаг на пути к практическим сверхпроводникам, которые работают при комнатной температуре и давлении», — говорит Хуа Чжоу, физик из Аргоннской национальной лаборатории в США.

«Поскольку этот материал все еще является сверхпроводящим при нормальном давлении, ученые могут изучать его с помощью широко доступных инструментов и начать разработку технологий, которые работают в повседневных условиях».

Речь идет о так называемом купратном сверхпроводнике, который состоит из слоев оксида меди с вкраплениями оксидов других металлов. В данном случае это ртуть, барий и кальций. 

Эта конкретная формула известна как Hg1223, и с 1993 года она является рекордсменом по сверхпроводникам с самой высокой температурой при атмосферном давлении. Этот рекорд составил не такие уж и приятные -140,15 градусов по Цельсию.

Чтобы улучшить этот показатель, исследователи нового исследования применили к материалу протокол, известный как закалка давлением. Сначала Hg1223 сжимали в ячейке с алмазными наковальнями под давлением до 30 гигапаскалей. Это почти в 300 000 раз большее давление, чем то, которому мы подвергаемся на уровне моря.

Но сжатие было лишь временным. Затем это давление было очень быстро выпущено, что привело к тому, что материал стал метастабильным – состоянием, которое сохраняет некоторые из своих квантовых странностей без необходимости поддерживать экстремальное давление.

Один из самых известных примеров метастабильного материала может быть у вас под рукой прямо сейчас.

Алмазы – это не что иное, как углерод, который подвергся воздействию экстремального давления глубоко внутри Земли, но они сохраняют свою новую структуру даже после того, как их вытащили на поверхность.

Когда материалы подвергаясь высокому давлению, он буквально сжимает атомы вместе, образуя новые структуры. Медленное снижение давления позволяет атомам вернуться к своей нормальной структуре, но быстрое снижение давления вызывает образование небольших дефектов в материале. 

И именно эти дефекты, по-видимому, сохраняют Hg1223 сверхпроводящим при более высоких температурах, даже когда давление возвращается к уровню окружающей среды.

Сверхспособности материала были подтверждены анализом с помощью Advanced Photon Source (APS), мощного рентгеновского лазера в Аргонне, который может точно отслеживать микроскопические изменения в материале.

Hg1223 не является сверхпроводящим самый теплый сверхпроводник из когда-либо созданных: эта честь достается образцу декагидрида лантана, который оставался сверхпроводящим вплоть до -13,15 градусов по Цельсию, температуры, которую вы могли бы достичь в морозильной камере дома. 

Однако чего вы не сможете достичь дома, так это сокрушительного давления в 190 гигапаскалей, сравнимого с внешним ядром Земли. Это компромисс, благодаря которому 30 гигапаскалей Hg1223 выглядят спокойными и крутыми.

По теме: Физики обнаруживают сверхпроводящие состояния, которые становятся сильнее в условиях, предназначенных для их уничтожения

Но в долгосрочной перспективе можно надеяться, что в конечном итоге компромисс вообще не понадобится. Сверхпроводимость при комнатной температуре и окружающем давлении может иметь огромные преимущества для хранения и доставки энергии в масштабе сети, электромобилей и даже левитации.

До этих применений, конечно, еще далеко, но каждый новый шаг приближает нас.

Исследование было опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Эта статья была проверена Карли Касселлой и отредактирована Питером Докрилом. Хотя мы гордимся своим процессом, мы всего лишь люди. Если вы заметили ошибку, сообщите нам об этом.