Учёные достигли сверхпроводимости при атмосферном давлении и рекордно высокой температуре

Исследователи из Хьюстонского университета добились сверхпроводимости при атмосферном давлении и температуре перехода 151 К (–122 °C), применив технику «закалки давлением», используемую для создания искусственных алмазов. Это рекордно высокая температура для сверхпроводимости в обычных условиях, поэтому учёные Чин-Ву Чу и Лянцзы Дэн считают, что достижение знаменует собой значительный шаг к практическим сверхпроводящим системам. Однако до сверхпроводимости при комнатной температуре им всё ещё не хватает 140 °C.

Сверхпроводимость — это состояние материала, при котором он обладает нулевым электрическим сопротивлением и выталкивает магнитные поля. Это состояние можно достичь при очень низких температурах и/или очень высоком давлении, но индустрия должна найти способ достичь его при обычных температуре и давлении. Основная проблема заключается в том, что условия, необходимые для высокой критической температуры (Tc) — точки, где сопротивление исчезает — обычно нестабильны в нормальных условиях. Сверхпроводимость зависит от хрупких электронных пар, которые распадаются при повышении температуры. Применение высокого давления может усилить эти взаимодействия, сжимая материал и изменяя его электронную структуру, что повышает Tc. Однако эти улучшенные состояния обычно существуют только при экстремальном давлении, и как только оно снимается, материал возвращается в нормальное состояние и теряет сверхпроводимость. Ключевая цель учёных — создать материалы, которые сохраняют сильное электронное спаривание и высокую Tc при атмосферном давлении, что необходимо для практического применения. Именно это и изучают учёные из Хьюстонского университета.

Команда работала с купратным сверхпроводником на основе ртути, известным как Hg1223, материалом, известным своими высокими температурами перехода. Исторически Hg1223 достигал сверхпроводимости при 133 К (–140 °C) в обычных условиях, рекорд, державшийся с 1993 года. Новое исследование повышает эту температуру на 18 К до 151 К (–122 °C).

Ключевым фактором прогресса стала техника, называемая «закалка давлением»: материал сначала подвергается интенсивному давлению для улучшения его электронных свойств и повышения Tc. Пока образец всё ещё находится под давлением, его охлаждают до определённой температуры, после чего давление резко снимают. Эта последовательность эффективно сохраняет состояние материала, индуцированное давлением, и, следовательно, поддерживает его улучшенное сверхпроводящее поведение при атмосферном давлении. Хотя сверхпроводимость, индуцированная давлением, хорошо задокументирована, сохранение этих свойств после декомпрессии оказалось сложной задачей, поэтому данная демонстрация выглядит значимой.

Дополнительным бонусом работы является то, что работа при атмосферном давлении упрощает экспериментирование и разработку, поскольку материалы, стабильные в нормальных условиях, можно изучать с помощью широко доступных лабораторных инструментов, что стимулирует как фундаментальные исследования материалов, так и прикладные НИОКР.

Сверхпроводники могут быть полезны для множества электронных, энергетических, медицинских и промышленных применений, включая перспективные термоядерные энергетические установки, высокопроизводительную электронику и системы магнитно-резонансной томографии. Все эти устройства могут выиграть от работы с нулевым сопротивлением, но они не могут использовать экстремальные методы охлаждения, такие как жидкий азот или что-то более экзотическое.

ИИ: Прорыв выглядит действительно многообещающим, особенно учитывая, что рекорд держался более 30 лет. Хотя до комнатной температуры ещё далеко, метод «закалки давлением» открывает новый путь для стабилизации сверхпроводящих свойств в практических условиях. Это может ускорить разработку сверхпроводящих линий электропередач, сверхмощных магнитов для МРТ и, возможно, даже квантовых компьютеров, что в перспективе изменит многие отрасли.