Ученые нашли способ усилить сверхпроводимость при высоких температурах и магнитных полях

Концептуальное изображение показывает, как созданный исследователями узор из крошечных холмов и долин — тоньше одной миллионной волоса — на подложке (MgO, внизу) направляет расположение атомов в сверхпроводящем материале (YBCO, сверху). На границе раздела двух слоев электронный ландшафт позволяет сверхпроводимости возникать при более высоких температурах, чем ранее считалось возможным, даже при воздействии сильных магнитных полей. Credit: Chalmers University of Technology / Riccardo Arpaia

Сверхпроводники могли бы питать новое поколение сверхэффективной электроники, но серьезные технические препятствия долгое время ограничивали применение этой технологии в основном исследовательскими лабораториями. Теперь ученые из Технологического университета Чалмерса в Швеции разработали новый подход, решающий одну из самых больших проблем в этой области: сохранение сверхпроводимости при более высоких температурах и устойчивость к сильным магнитным полям.

Это достижение может помочь приблизить сверхпроводящие технологии к практическому использованию в электронике, энергетических системах и квантовых устройствах.

Современные цифровые устройства, центры обработки данных и сети информационно-коммуникационных технологий (ИКТ) потребляют от 6 до 12 процентов мировой электроэнергии. Поскольку спрос на энергию продолжает расти, исследователи ищут способы сделать электронику гораздо более эффективной.

Сверхпроводники особенно привлекательны, поскольку они могут проводить электрический ток без потерь энергии. В отличие от обычных электронных систем, которые теряют энергию в виде тепла, сверхпроводники могут передавать электричество без сопротивления. Теоретически это могло бы сделать энергосети, электронику и квантовые технологии в сотни раз эффективнее.

Почему сверхпроводники сложны в использовании

Несмотря на свои перспективы, сверхпроводники сталкиваются с рядом препятствий, ограничивающих их реальное применение.

Одна из проблем — температура. Многие сверхпроводники работают только при экстремально низких температурах, часто около минус 200 градусов Цельсия. Достижение и поддержание таких температур требует сложных и энергоемких систем охлаждения.

Магнитные поля представляют собой еще одну серьезную проблему. Сильные магнитные поля могут ослабить или даже полностью подавить сверхпроводимость. Это особенно важно, поскольку многие передовые электронные системы и квантовые технологии либо генерируют магнитные поля, либо зависят от них.

Чтобы стать практичными для широкого использования, сверхпроводящие материалы должны работать при более высоких температурах (в идеале близких к комнатной), оставаясь стабильными в условиях сильных магнитных полей.

Другая стратегия для более сильной сверхпроводимости

Исследователи годами пытались улучшить сверхпроводники, изменяя их химический состав, но прогресс был ограниченным. Команда из Чалмерса решила применить другой подход.

«Создав особый рельеф на поверхности, на которой находится сверхпроводник, мы смогли индуцировать сверхпроводимость при значительно более высоких температурах, чем это было возможно ранее. Мы также обнаружили, что материал оставался сверхпроводящим даже при воздействии сильных магнитных полей», — объясняет Флориана Ломбарди, профессор физики квантовых устройств в Чалмерсе и ведущий автор исследования, опубликованного в Nature Communications.

Как крошечное изменение поверхности привело к большому результату

Исследователи работали с медно-оксидным материалом из семейства купратов. Купраты известны тем, что проявляют сверхпроводимость при относительно высоких температурах, но их химическую структуру трудно изменить после изготовления.

Сверхпроводящий слой, использованный в исследовании, имел толщину всего в несколько нанометров, что менее одной миллионной толщины человеческого волоса. Такие ультратонкие материалы должны быть выращены на поддерживающей основе, называемой подложкой, которая служит шаблоном во время изготовления.

Прорыв произошел благодаря наномасштабным модификациям самой подложки.

«Поскольку атомы в подложке расположены в определенном порядке, они могут „направлять" расположение атомов в сверхпроводящем слое. Изменяя дизайн поверхности подложки, мы смогли повлиять на сверхпроводящие свойства и обеспечить их сохранение даже при более высоких температурах и воздействии сильных магнитных полей», — объясняет Эрик Вальберг, исследователь из RISE Research Institutes of Sweden.

Перед нанесением сверхпроводящей пленки команда обработала подложку в вакууме при высокой температуре. Этот процесс создал упорядоченный узор из крошечных гребней и впадин на поверхности.

Эти микроскопические особенности изменили электронную среду на границе раздела подложки и сверхпроводящего слоя, создав условия, благоприятствующие более сильной сверхпроводимости.

«Мы могли видеть, как свойства электронов в этой приграничной области начали приобретать предпочтительное направление и вести себя так, что это стабилизировало и усиливало сверхпроводящее состояние», — говорит Ломбарди.

Новый принцип проектирования для будущих сверхпроводников

Результаты представляют новый способ мышления о сверхпроводящих материалах. Вместо того чтобы сосредотачиваться исключительно на поиске новых материалов или изменении их химии, исследователи могут улучшить характеристики, тщательно проектируя поверхности, на которых эти материалы выращиваются.

«Вместо поиска совершенно новых материалов или манипулирования химическими свойствами существующих, мы теперь показываем, как можно усилить сверхпроводимость, создавая рельеф на подложке», — говорит Ломбарди.

Исследователи полагают, что эта стратегия в конечном итоге может помочь сверхпроводникам функционировать при гораздо более высоких температурах, потенциально даже приближаясь к комнатной.

Работа также указывает на будущие применения в энергоэффективной электронике, передовых квантовых компонентах и технологиях, которые должны работать в сильных магнитных полях.

«Это показывает, что очень маленькие изменения в наномасштабе могут иметь решающее значение и, возможно, даже раскрыть полный потенциал сверхпроводимости в будущей электронике», — заключает Ломбарди.

Источник: sciencedaily.com