Каждый стандартный кабель, каждый провод, каждое электронное устройство имеет некоторое электрическое сопротивление. Однако существуют сверхпроводящие материалы, способные проводить электрический ток с сопротивлением точно равным нулю – по крайней мере, при очень низких температурах. Поиск материала, который ведет себя как сверхпроводник при комнатной температуре, был бы научным прорывом невероятной концептуальной и технологической важности. Это может привести к широкому спектру новых применений, от левитации поездов до новых технологий визуализации для медицины.

Различные купраты, которые изучаются в TU Wien. Фото: Венский технологический университет

Поиск высокотемпературных сверхпроводников чрезвычайно труден, потому что многие квантовые эффекты, связанные со сверхпроводимостью, еще недостаточно изучены. Профессор Невен Баришич, профессор физики твердого тела в TU Wien (Вена), проводит эксперименты с купратами, классом материалов, которые ведут себя как сверхпроводник при рекордных температурах до 140K при давлении окружающей среды. В настоящее время Баришич и его коллеги придумали замечательный набор результатов и новых идей, которые могут существенно изменить наши взгляды на эти сложные материалы и высокотемпературную сверхпроводимость в целом.

«Явление высокотемпературной сверхпроводимости тщательно исследовалось в течение десятилетий, но никто еще не решил проблему», – говорит Невен Баришич. «Многие материалы демонстрируют сверхпроводящее поведение при температурах, близких к абсолютному нулю, и мы понимаем, почему это происходит в некоторых из них. Но настоящая задача состоит в том, чтобы понять сверхпроводимость в купратах, где это состояние сохраняется при гораздо более высоких температурах. Материал, который ведет себя как сверхпроводник при комнатной температуре, был бы Святым Граалем физики твердого тела – и мы все ближе и ближе ».

Баришич и его коллеги показали, что в купратах есть два принципиально разных вида носителей заряда, и предположили, что сверхпроводимость в решающей степени зависит от тонкого взаимодействия между ними.

Часть электрического заряда локализована – каждый из этих носителей заряда находится на определенном наборе атомов и может удаляться только при нагревании материала. Другие носители заряда могут перемещаться, перепрыгивая с одного атома на другой. Именно мобильный заряд в конечном итоге становится сверхпроводящим, но сверхпроводимость можно объяснить только с учетом неподвижных носителей заряда.

«Между мобильным и неподвижным носителями заряда существует взаимодействие, которое определяет свойства системы», – говорит Баришич. «По-видимому, неподвижные заряды действуют как клей, связывая пары мобильных носителей заряда, создавая так называемые куперовские пары, которые являются основной идеей классических сверхпроводников. После сопряжения носители заряда могут стать сверхпроводящими, а материал может передавать ток с нулевым сопротивлением».

Это означает, что для получения сверхпроводимости необходим тонкий баланс мобильных и неподвижных носителей заряда. Если локализованных носителей заряда слишком мало, то недостаточно «клея» для сопряжения мобильных носителей заряда. Если, с другой стороны, мобильных носителей слишком мало, то «клеить» нечего для сопряжения. В любом случае сверхпроводимость ослабевает или вообще прекращается. При оптимальной средней земле сверхпроводимость сохраняется при удивительно высоких температурах. Было трудно понять, что баланс между мобильными и неподвижными зарядами изменяется, в зависимости от температуры или легирования, постепенно.

«Мы провели много разных экспериментов с купратами, собирая большие объемы данных. И наконец, теперь мы можем предложить всеобъемлющую феноменологическую картину сверхпроводимости в купратах», – говорит Невен Баришич. Недавно он опубликовал свои выводы в нескольких журналах – последний раз в журнале «Научные достижения», которые демонстрируют, что сверхпроводимость также проявляется постепенно. Это важный шаг к пониманию купратов и обеспечению возможности поиска новых, даже лучших сверхпроводников.

Если бы стало возможным создавать материалы, которые остаются сверхпроводниками даже при комнатной температуре, это имело бы далеко идущие последствия для технологии. Могут быть созданы электронные устройства, практически не использующие энергию. Поднимающиеся поезда могли бы быть построены, используя чрезвычайно сильные сверхпроводящие магниты, так, чтобы дешевая, сверхбыстрая транспортировка стала возможной. «Мы еще не достигли этой цели», – говорит Невен Баришич. «Но глубокое понимание высокотемпературной сверхпроводимости проложит путь туда. И я полагаю, что сейчас мы предприняли несколько важных шагов в этом направлении».

По материалам phys.org