Впервые физики достигли сверхпроводимости при комнатной температуре

Только что достигнута новая важная веха в поисках сверхпроводимости. Впервые физики достигли протекания электрического тока без сопротивления при комнатной температуре – положительных 15 градусов по Цельсию (59 градусов по Фаренгейту).

Это побило предыдущий рекорд — 23 градуса по Цельсию (- 9,4 градуса по Фаренгейту) и сделало перспективу функциональной сверхпроводимости огромным шагом вперед.

«Из-за пределов низких температур материалы с такими экстраординарными свойствами не совсем изменили мир так, как многие могли себе представить», — заявил физик Ранга Диас из Университета Рочестера.

«Однако наше открытие разрушит эти барьеры и откроет двери для многих потенциальных приложений».

Сверхпроводимость была впервые открыта в 1911 году, и с тех пор она стала страстно преследуемой целью физики конденсированного состояния.

Она состоит из двух основных свойств. Первое — нулевое сопротивление. Обычно электрический ток встречает некоторую степень сопротивления — наподобие того, как сопротивление воздуха отталкивает, например, движущийся объект. Чем выше проводимость материала, тем меньше у него электрическое сопротивление, и ток может течь более свободно.

Второй — это эффект Мейснера, при котором магнитные поля сверхпроводящего материала удаляются. Это заставляет силовые линии магнитного поля перемещаться вокруг материала. Если над сверхпроводящим материалом поместить небольшой постоянный магнит, сила отталкивания силовых линий магнитного поля заставит его левитировать.

Потенциальные применения сверхпроводимости могут произвести революцию в нашем мире — от транспорта на магнитной подвеске до передачи данных и электрических сетей без потерь. Но есть большая проблема.

Сверхпроводящие материалы обычно создаются и хранятся только при чрезвычайно низких температурах, намного ниже тех, которые встречаются в природе. Хранить материалы при этих температурах сложно и дорого, что оказалось практическим препятствием для более широкого применения.

Недавно физикам удалось повысить температуру легких элементов, таких как сероводород и гидрид лантана. Обычным элементом здесь является водород, самый легкий элемент в природе. Но водород как газ — изолятор; Чтобы сделать его сверхпроводящим, его необходимо металлизировать под огромным давлением.

«Чтобы иметь высокотемпературный сверхпроводник, вам нужны более прочные связи и легкие элементы. Это два основных критерия. Водород — самый легкий материал, а водородная связь — одна из самых прочных», — сказал Диас.

«Теоретически твердый металлический водород имеет высокую температуру и сильную электрон-фононную связь, которая необходима для сверхпроводимости при комнатной температуре».

Поскольку чистый металлический водород может быть создан только при экстремальном давлении, добиться нужных условий крайне сложно.

В 2017 году физики сообщили о создании металлическом водороде при давлении от 465 до 495 гигапаскалей и температуре 5,5 Кельвина (- 267,65 °C; — 449,77 °F). В 2019 году физики сообщили о создании металлического водорода при давлении 425 гигапаскалей и температуре 80 Кельвин (- 193 °C; — 316 °F). Ни одно из условий совсем не близко к комнатной температуре. И, для справки, давление в ядре Земли составляет от 330 до 360 гигапаскалей.

Следующее — это металл, богатый водородом, такой как сероводород и гидрид лантана, использованные в предыдущих экспериментах. Они имитируют сверхпроводящие свойства чистого металлического водорода при гораздо более низких давлениях.

Итак, группа физиков во главе с Эллиотом Снайдером из Университета Рочестера приступила к экспериментам. Сначала они попытались объединить водород с иттрием, чтобы создать супергидрид иттрия. Этот материал продемонстрировал сверхпроводимость при — 11 градусов по Цельсию (12 градусов по Фаренгейту) при давлении 180 гигапаскалей.

Затем Снайдер и его команда попытались объединить углерод, серу и водород для создания углеродсодержащего гидрида серы. Они зажали крошечный образец в алмазной наковальне и измерили его на сверхпроводимость. И обнаружили сверхпроводимость при 270 гигапаскалей и 15 градусах Цельсия.

Размеры образцов были микроскопическими, от 25 до 35 микрон, а давление, при котором возникала сверхпроводимость, все еще непрактично.

Следующим шагом в исследовании будет попытка снизить высокое давление путем настройки химического состава образца. Исследователи полагают, что если им удастся правильно приготовить смесь, сверхпроводник, работающий при комнатной температуре и давлении окружающей среды, наконец-то будет в наших руках.

Исследование опубликовано в журнале Nature.