Учёные стали лучше понимать высокотемпературные сверхпроводники

Сверхпроводники — это Святой Грааль физиков и материаловедов. Эти материалы позволяют электрическому току течь совершенно свободно, безо всякого сопротивления. Правда, такое возможно лишь при температурах в несколько градусов выше абсолютного нуля, что затрудняет их повсеместное использование. Тем не менее, если бы мы могли использовать силу сверхпроводимости при комнатной температуре, мы могли бы изменить процессы производства, хранения, распределения энергии, и фантастика стала бы реальностью.

Не так давно исследователи из отдела энергий Брукхейвенской национальной лаборатории стали на один шаг ближе к пониманию того, как осуществить подобный прорыв. Исследование, проведенное под руководством физика Ивана Божовича, было посвящено классу соединений под названием купраты, они содержат слои атомов меди и кислорода.

При определенных условиях — которые пока что включают сверхнизкие температуры — электрические токи свободно протекают через купратные сверхпроводники, не встречая на своем пути никаких препятствий. То есть переносимая ими электроэнергия совсем не преобразуется в тепло. Если вы когда-либо держали ноутбук на коленях, вы должны понимать, что такое потеря тепла из-за несверхпроводящего материала.

Создание необходимых условий для сверхпроводимости в купратах также включает добавление других химических элементов вроде стронция. Добавляя эти атомы и охлаждая материал, можно добиться того, что электроны — которые обычно отталкиваются друг от друга — выстроятся парами и будут легко двигаться через материал. Чем же особенные эти купраты? Дело в том, что они могут достичь этого «волшебного» состояния при температурах, которые на сотню градусов превышают те, при которых обычно работают сверхпроводники. Это делает купраты весьма перспективными для реального применения.

Такие материалы не потребуют охлаждения, так что их можно было бы относительно легко и недорого включить в нашу повседневную жизнь. Представьте энергосети, которые никогда не теряют энергию; более доступные системы поездов на магнитной подушке; дешевые методы магнитно-резонансной томографии и небольшие, но очень мощные суперкомпьютеры.

Чтобы выяснить секрет «высокотемпературной» сверхпроводимости в купратах, ученым нужно понять, как ведут себя электроны в этих материалах. Группа Божовича в настоящее время решила часть загадки, определив, что именно контролирует температуру, при которой купраты становятся сверхпроводящими.

Стандартная теория сверхпроводимости гласит, что эта температура определяется силой взаимодействия электронных пар, но команда Божовича пришла к другим выводам. После 10 лет подготовки и анализа более 2000 образцов купрата, меняя долю стронция, они выяснили, что число электронных пар в определенной области (скажем, на кубический сантиметр), или плотность электронных пар, — это определяет температуру перехода в сверхпроводящее состояние. Другими словами, за все отвечает не сила, а плотность, в данном случае — электронных пар.

Ученые пришли к такому выводу, измеряя, насколько далеко может проходить магнитное поле через каждый образец. Это расстояние напрямую связано с плотностью электронных пар и меняется в зависимости от свойств материала. В сверхпроводниках магнитное поле выталкивается; в металлах проникает. При большом количестве строцния купрат становится более проводящим, поскольку увеличивается число подвижных электронов. Однако ученые заметили, что если добавлять больше стронция, число электронных пар уменьшается, пока их не останется совсем. В то же время температура сверхпроводящего перехода стремится к нулю. Божовича и его команду также удивило, что в пары собирается лишь часть электронов, хотя должны все.

Представьте себе такую аналогию. Вы танцуете в танцевальном зале, и в какой-то момент другие люди — которые обычно не ходят держась за руки — начинают собираться парами и двигаться в унисон. Приходят новенькие, тоже собираются в пары и присоединяются к гармоничному танцу. Но затем происходит что-то странное. Независимо от числа прибывающих людей на танцполе, лишь часть их разбилась по парам, несмотря на то, что могли бы все. И в конечном итоге пар больше не остается.

Почему танцоры, или электроны, вообще сбиваются в пары? Ответ на этот вопрос станет очередным шагом к разгадке механизма высокотемпературной сверхпроводимости в купратах. Эта загадка волнует физиков уже более 30 лет.