Левитирование — «стандартный» эффект, который демонстрируют в большинстве опытов, связанных со сверхпроводимостью.
Ученые создали необычный материал, который проводит электричество без какого-либо сопротивления при температуре примерно до 15 °C. Да, его электрическое сопротивление не просто низкое, оно строго равно нулю. Это новый рекорд сверхпроводимости — явления, обычно связанного с очень низкими температурами. Сам используемый для экспериментов материал на данный момент плохо изучен, но он показывает потенциал нового класса сверхпроводников, открытого в 2015 году.
Однако у обнаруженного сверхпроводника есть одно серьезное ограничение: он показывает свои необычные свойства только при чрезвычайно высоких давлениях, приближенных к тем, которые существуют в центре Земли, а это означает, что у него в ближайшее время не будет практического применения. Тем не менее, физики надеются, что это открытие может положить начало разработке материалов с нулевым сопротивлением, которые смогут работать при более привычных для нас давлениях.
Сверхпроводники имеют ряд технологических применений, от устройств для магнитно-резонансной томографии до вышек мобильной связи, и исследователи начинают экспериментировать с ними в высокопроизводительных генераторах для ветряных турбин. Но их полезность все еще ограничена необходимостью создания громоздких криогенных установок. Самые старые известные нам сверхпроводники способны работать при атмосферном давлении, но только при очень низких температурах. Даже самые сложные из них — керамические материалы на основе оксида меди — показывают сверхпроводящие свойства только при температуре ниже 133 Кельвинов (-140 °C).
Сверхпроводники, работающие при комнатной температуре, могут в прямом смысле того слова перевернуть привычный нам мир. Представьте себе провода, в которых нет потерь на тепло: один тонкий кабель сможет заменить цепь линий электропередач. Негреющуюся электронику с КПД, близким к 100%. Левитирование, позволяющее создавать высокоскоростные эффективные маглевы. Вечные хранилища информации. Сверхпроводимость в привычных нам условиях может существенно преобразить все сферы нашей деятельности, так или иначе связанные с электричеством.
Температуры сверхпроводимости для различных химических элементов и веществ. Цифры в градусах Кельвина, ноль по этой шкале соответствует -273.15 градусам Цельсия.
Новое исследование, опубликованное в журнале Nature 14 октября, является убедительным доказательством высокотемпературной сверхпроводимости, говорит физик Михаил Еремец из Химического института Макса Планка в Майнце, Германия, хотя он добавляет, что хотел бы увидеть больше «сырых данных» из эксперимента. Он говорит, что это подтверждает серию его экспериментов, которую он начал в 2015 году: именно тогда его группа сообщила о первом высокотемпературном сверхпроводнике высокого давления — соединении водорода и серы, которое имело нулевое сопротивление до -70 °C.
В 2018 году было показано, что при высоком давлении соединение водорода и лантана является сверхпроводником при температуре -13 °C. Однако новый результат является первым, перешедшим за психологическую отметку в ноль градусов, а также первым сверхпроводником высокого давления, состоящим из трех элементов, а не двух — материал состоит из углерода, серы и водорода. Добавление третьего элемента значительно расширяет количество возможных комбинации, которые могут быть исследованы в будущих экспериментах по поиску новых сверхпроводников, говорит соавтор исследования Ашкан Саламат, физик из Университета Невады в Лас-Вегасе. «Мы обнаружили совершенно новый регион» исследований, говорит он.
Материалы, которые обладают сверхпроводимостью при высоких, но не экстремальных давлениях, уже могут быть использованы, говорит Мэддури Сомаязулу, специалист по материалам высокого давления из Аргоннской национальной лаборатории в Лемонте, штат Иллинойс. Исследование показывает, что, «разумно выбирая третий и возможно четвертый элементы» в сверхпроводнике, можно в принципе снизить его рабочее давление, добавляет он.
Эта работа также подтверждает сделанные несколько десятилетий назад предсказания физика-теоретика Нила Эшкрофта из Корнельского университета в Итаке, штат Нью-Йорк, о том, что богатые водородом материалы могут иметь сверхпроводимость при температурах, близких к привычным нам. «Я думаю, что тогда очень мало людей за пределами сообщества высокого давления восприняли его слова всерьез», — говорит Сомаязулу.
Загадочный материал
Экспериментальная установка.
Физик Ранга Диас из Университета Рочестера в Нью-Йорке вместе с Саламатом и другими сотрудниками поместил смесь углерода, водорода и серы в микроскопическую нишу, которую они вырезали между кончиками двух алмазов. Затем они инициировали химические реакции в образце с помощью мощного лазера и сильно сжали алмазы, наблюдая, как формируется кристалл.
В дальнейшем они остудили получившийся образец, обнаружив при этом, что сопротивление току, проходящему через материал, упало до нуля — явное указание на то, что их кристалл стал сверхпроводящим. Затем они увеличили давление и обнаружили, что переход в сверхпроводящее состояние стал происходить при все более высоких температурах. Их лучшим результатом была температура перехода 287.7 Кельвина или около 14.5 градусов Цельсия при 267 гигапаскалях, что в 2.6 миллиона раз превышает атмосферное давление на уровне моря и близко к давлению в ядре Земли.
Исследователи также обнаружили некоторые доказательства того, что кристалл лишился своего магнитного поля при температуре перехода, что является важной проверкой на сверхпроводимость. Но многое об этом материале все еще остается неизвестным, предупреждают исследователи. «Еще многое нужно выяснить», — говорит Еремец. Даже точная структура и химическая формула кристалла еще не известны. «Чем выше давление, тем меньше становится размер образца», — говорит Саламат. «Вот что делает такие измерения действительно сложными».
Сверхпроводники высокого давления, состоящие из водорода и еще одного элемента, хорошо изучены. «А исследователи к тому же провели первое в своем роде компьютерное моделирование смеси углерода, водорода и серы под высоким давлением», — говорит Ева Зурек, химик-компьютерщик из Государственного университета Нью-Йорка в Буффало. Но она добавляет, что это исследование не может объяснить исключительно высокие температуры при сверхпроводимости, наблюдаемые группой Диаса. «Я уверена, что после того, как эта работа будет опубликована, многие теоретические и экспериментальные группы возьмутся за эту проблему», — говорит она.
