Сверхпроводниковая особенность работает при температурах, которые раньше считались невозможными

Важнейшая особенность сверхпроводимости только что наблюдалась при гораздо более высоких температурах, чем предполагали ученые.

Физики обнаружили пары электронов, как это происходит в сверхпроводящих материалах, в неожиданном материале, расположенном над поверхностью невероятно низкие температуры, подобные материалы позволяют возникать сверхпроводимости.

Сверхпроводимость описывает способ, которым электроны движутся через материал без какого-либо сопротивления и последующей потери энергии. Мы наблюдали это явление во многих различных материалах, но есть одна загвоздка. Кажется, мы способны добиться этого только при чрезвычайно низких температурах, близких к абсолютному нулю (-273,15 градусов по Цельсию или -460 градусов по Фаренгейту), 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.

» Электронные пары говорят нам, что они готовы стать сверхпроводящими, 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 более высокотемпературных сверхпроводников».

Материал представляет собой слоистый кристалл на основе меди или купрат, называемый неодим-церий-медь. оксид (Nd_2−xCe_xCuO₄). При низких температурах кристалл проявляет сверхпроводимость, но при более высоких температурах он становится значительно более устойчивым.

Теперь, чтобы сверхпроводимость начала действовать, электронам необходимо, чтобы их квантовая идентичность была запутана, превращая их в то, что известная как пара Купера. Только тогда они смогут плавно пройти сквозь атомный лес с нулевыми усилиями.

Обычные сверхпроводники, обладающие сверхпроводимостью ниже 25 Кельвинов (-248 градусов по Цельсию или -415 градусов по Фаренгейту), запутывают свои электроны посредством вибраций в основной материал.

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 до сих пор неясен.

Изученный Сюй и его командой оксид неодима, церия, меди, похож на обычный сверхпроводник в том смысле, что он не Не демонстрируют явление выше 25 Кельвинов, что позволяет 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 спаривания.

Команда наблюдала, как их материал сохраняет больше энергии при температурах до 140 Кельвинов (-133 градуса Цельсия или -207 градусов по Фаренгейту), что намного выше, чем переход в сверхпроводимость при 25 Кельвинах. температура. Это говорит о том, что электроны образуют куперовские пары при довольно высоких температурах, условно говоря.

Пока неясно, что вызывает спаривание. 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 большое значение. Представьте себе 100-процентную энергоэффективность: мы могли бы уменьшить размер схемы, необходимой для транспортировки электронов, упаковав больше энергии в меньшее пространство для более быстрой и дешевой технологии.

Но взломать код оказалось очень сложно. У нас было несколько заявленных прорывов, таких как широко разрекламированный LK-99, но все они ни к чему не привели.

Прогресс, скорее всего, будет более постепенным – например, наблюдение за некоторыми функциями сверхпроводимости в высокотемпературных материалах, выясняя, почему это происходит, продвигаясь шаг за шагом.

«Наши открытия открывают потенциально богатый новый путь вперед», — говорит физик Чжи-Сюнь Шен из Стэнфордского университета.

«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 в SSRL, 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 было опубликовано в журнале Science.