Учёные обнаружили ключевой процесс, необходимый для сверхпроводимости, который происходит при более высоких температурах, чем считалось ранее. Это может стать небольшим, но значительным шагом в поиске одного из «святых Граалей» физики — сверхпроводника, работающего при комнатной температуре.
Открытие, сделанное в неожиданном материале — электрическом изоляторе — показало, что электроны образуют пары при температурах до минус 190 градусов по Фаренгейту (минус 123 градуса по Цельсию) — это один из секретных ингредиентов почти беспрепятственного потока электричества в сверхпроводящих материалах при экстремально низких температурах.
Физики пока озадачены тем, почему это происходит. Но понимание этого процесса может помочь им найти сверхпроводники, работающие при комнатной температуре. Исследователи опубликовали свои выводы 15 августа в журнале Science.
«Электронные пары как бы говорят нам, что они готовы к сверхпроводимости, но что-то их останавливает, — заявил соавтор исследования Ке-Джун Сюй (Ke-Jun Xu), аспирант прикладной физики Стэнфордского университета. — Если мы сможем найти новый метод для синхронизации этих пар, возможно, мы сможем использовать его для создания сверхпроводников, работающих при более высоких температурах.»
Сверхпроводимость возникает из-за ряби, оставляемой электронами при их движении через материал. При достаточно низких температурах эти волны притягивают атомные ядра друг к другу, что вызывает небольшое смещение заряда, притягивающее второй электрон к первому.
Обычно два отрицательных заряда должны друг от друга отталкиваться. Но вместо этого происходит нечто странное: электроны связываются друг с другом, образуя «пару Купера».
Пары Купера подчиняются другим квантово-механическим законам, отличным от тех, которые применяются к одиночным электронам. Вместо того чтобы располагаться по уровням энергии, как это делают одиночные электроны, они ведут себя как частицы света, бесконечное количество которых может занимать одну и ту же точку в пространстве одновременно. Если в материале образуется достаточное количество пар Купера, они превращаются в сверхтекучую среду, которая из-за электрического сопротивления течёт без потери энергии.
Первые сверхпроводники, обнаруженные нидерландским физиком Хейке Камерлинг-Оннесом (Heike Kamerlingh Onnes) в 1911 году, переходили в состояние нулевого электрического сопротивления при невообразимо низких температурах — около абсолютного нуля (минус 459,67 °F, или минус 273,15 °C). Однако в 1986 году физики обнаружили материал на основе меди, названный купратом, который становится сверхпроводником при гораздо более высокой (но всё ещё очень низкой) температуре — минус 211 °F (минус 135 °C).
Физики надеялись, что это открытие приведёт их к созданию сверхпроводников, работающих при комнатной температуре. Однако исследования причин, по которым купраты демонстрируют своё необычное поведение, замедлились, а в прошлом году вирусные заявления о создании жизнеспособных сверхпроводников при комнатной температуре закончились обвинениями в фальсификации данных и разочарованием.
Чтобы углубиться в исследование, учёные, стоящие за новым открытием, обратили внимание на купрат, известный как оксид меди неодима и церия. Максимальная сверхпроводящая температура этого материала относительно низка — минус 414,67 °F (минус 248 °C), поэтому он не привлекал особого внимания. Но когда исследователи осветили его поверхность ультрафиолетовым светом, они увидели нечто странное.
Обычно, когда пакеты света, или фотоны, ударяют по купрату, который содержит неспаренные электроны, фотоны придают электронам достаточно энергии, чтобы те были выбиты из материала, что приводит к значительной потере энергии. Однако электроны в парах Купера могут сопротивляться фотонному выбросу, из-за чего материал теряет лишь небольшое количество энергии.
Несмотря на то, что состояние нулевого сопротивления наблюдается только при очень низких температурах, исследователи обнаружили, что энергетический зазор сохраняется в новом материале при температурах до 150 K, и что образование пар, странным образом, было самым сильным в тех образцах, которые лучше всего сопротивлялись потоку электрического тока.
Это означает, что, хотя купрат вряд ли достигнет сверхпроводимости при комнатной температуре, он может содержать ключи к нахождению материала, который сможет это сделать.
«Наши открытия открывают потенциально богатый новый путь для продвижения вперёд. В будущем мы планируем изучить этот разрыв спаривания, чтобы помочь создать сверхпроводники с использованием новых методов, — сказал старший автор исследования Чжи-Сюн Шэнь (Zhi-Xun Shen), профессор физики в Стэнфордском университете. — С одной стороны, мы планируем использовать аналогичные экспериментальные подходы, чтобы глубже понять это некогерентное состояние спаривания. С другой стороны, мы хотим найти способы манипулировать этими материалами, чтобы, возможно, заставить эти некогерентные пары синхронизироваться.»
