Наконец-то понята сверхпроводимость при комнатной температуре

В течение 40 лет семейство кристаллов озадачивало физиков своей способностью «сверхпроводить» — проводить электрический ток без сопротивления — при гораздо более высоких температурах, чем другие материалы. Недавно исследователи разработали новые методы микроскопии, чтобы разгадать тайну этих сверхпроводников. Их открытие может проложить путь к созданию материалов с комнатной температурой и произвести революцию в электроснабжении.

Сверхпроводимость — это удивительное состояние материи в квантовой физике. Ток течет через сверхпроводник без рассеяния, и сопротивление полностью исчезает. Отсутствие диссипации означает отсутствие потерь энергии, и «сверхток», однажды установленный в замкнутом контуре сверхпроводника, может длиться неограниченно долго. При очень низких температурах электроны внутри них объединяются в пары — пары Купера.

Следует помнить, что пара электронов обычно отталкивается друг от друга, поскольку они имеют одинаковые отрицательные заряды. В сверхпроводнике взаимодействие между электронами может стать притягательным, согласно другому квантово-механическому правилу. Понимание того, почему электроны решают объединяться в пары в одних материалах и не объединяться в других, является большой проблемой для создания новых сверхпроводящих материалов при комнатной температуре.

Хотя сверхпроводники на основе оксида меди были открыты в 1986 году — как отмечает профессор Амалия Колдеа, возглавляющая группу «Квантовая материя в высоких магнитных полях» в Оксфорде, — только сейчас некоторые из этих купратов достигли своего производственного потенциала для использования в мощных магнитах. Они состоят из листов меди и кислорода, зажатых между слоями других элементов. Она добавляет: «Сверхпроводимость при комнатной температуре — это Святой Грааль, который, будучи реализован в больших масштабах, будет иметь огромное количество практических применений«.

Недавно международная группа исследователей под руководством Сеамуса Дэвиса, профессора квантовой физики Университетского колледжа Корка и Оксфордского университета, объявила о результатах, раскрывающих атомный механизм, лежащий в основе высокотемпературных сверхпроводников. Результаты исследования опубликованы в журнале PNAS.

Комнатная температура — ключ к широкому распространению

Как упоминалось ранее, сверхпроводники — это материалы, которые могут проводить электричество с нулевым сопротивлением, так что электрический ток может сохраняться неограниченно долго, не рассеиваясь. Они уже используются в различных приложениях, включая МРТ-сканеры, но требуют чрезвычайно низких температур.

Однако некоторые сверхпроводники могут работать при более высоких температурах, например, оксиды меди (купраты). Для их изучения исследовательская группа сначала создала особый купрат под названием висмут-стронций-кальций-оксид меди (BSCCO), в котором слои атомов меди и кислорода сжаты в волнистый узор, изменяя расстояния между атомами.

На втором этапе они разработали два новых метода микроскопии. Первый измеряет разницу в энергии между орбиталями атомов меди и кислорода в зависимости от их расположения.

Следует отметить, что в отличие от планет, вращающихся вокруг Солнца, электроны не могут находиться на произвольном расстоянии от ядра; они могут существовать только в определенных местах, называемых разрешенными орбиталями. Таким образом, в квантовой механике атомная орбиталь — это математическая функция, которая описывает волнообразное поведение электрона или пары электронов вокруг ядра атома, давая вероятность его присутствия в определенном месте.

Измерение разницы между этими орбиталями следует из теории, связанной со сверхпроводниками, а квантовое явление называется суперобменом. Это сила, возникающая в результате способности электронов перескакивать между атомными орбиталями в более низкое энергетическое состояние. Одни направлены вниз, другие — вверх, оставаясь при этом вокруг ядра. Таким образом, сверхобмен устанавливает регулярное расположение электронов в определенных материалах, побуждая их находиться на определенном расстоянии друг от друга, но не слишком далеко друг от друга. Именно это эффективное притяжение может образовывать сильные куперовские пары.

Второй метод измеряет величину волновой функции электронной пары (сила сверхпроводимости) каждого атома кислорода и каждого атома меди.

В заявлении профессора Дэвиса говорится: «Визуализируя силу сверхпроводимости как функцию разницы в орбитальных энергиях, мы впервые смогли точно измерить взаимосвязь, необходимую для подтверждения или опровержения одной из ведущих теорий высокотемпературной атомной сверхпроводимости«.

Как и предсказывала теория, результаты показали количественную обратную зависимость между разницей в энергии переноса заряда между соседними атомами кислорода и меди и силой сверхпроводимости. Чем легче электронам переходить из одного места в другое между атомами меди и кислорода в данном купрате, тем выше его критическая температура и тем сильнее его сверхпроводимость.

По словам исследовательской группы под руководством Шейна О’Махони из Университетского колледжа Корка, это открытие может стать историческим шагом на пути к созданию сверхпроводников комнатной температуры.

Действительно, они могут иметь далеко идущие применения, например, в поездах Маглев (или магнитная левитация). В них используется метод движения, основанный на магнитах, а не на колесах, осях и подшипниках. В частности, транспортное средство левитирует на небольшом расстоянии от направляющей с помощью магнитов для создания подъемной силы и тяги, поскольку, как и обычные магниты, сверхпроводящие магниты отталкиваются друг от друга, когда соответствующие полюса обращены друг к другу.

Это открытие может быть использовано для реакторов ядерного синтеза, квантовых компьютеров и ускорителей частиц высокой энергии, а также для сверхэффективной передачи и хранения энергии.

Авторы объясняют, что в сверхпроводящих материалах электрическое сопротивление сведено к минимуму, поскольку электроны, проводящие ток, связаны в стабильные пары Купера. В низкотемпературных сверхпроводниках куперовские пары удерживаются вместе тепловыми колебаниями, но при более высоких температурах они становятся слишком нестабильными.

Эти новые результаты показывают, что в высокотемпературных сверхпроводниках куперовские пары вместо этого удерживаются вместе магнитными взаимодействиями, а электронные пары связываются посредством квантовой связи через промежуточный атом кислорода.

Профессор Дэвис заключает: «Эта проблема была одной из святых граалей исследований в области физики на протяжении почти 40 лет. Многие считают, что дешевые и легкодоступные сверхпроводники комнатной температуры станут такой же революцией для человеческой цивилизации, как и появление электричества«.