Память о давлении. Физики научили сверхпроводник сохранять свойства, которые раньше исчезали мгновенно
Иллюстративное изображение сверхпроводимости (Фото: depositphotos.com)
Тридцать лет в науке — это целая эпоха. Именно столько продержался рекорд, который казался почти недостижимым: ни один материал при нормальном давлении не мог проявлять сверхпроводимость выше 133 кельвинов, то есть примерно минус 140 градусов Цельсия.
Несмотря на десятилетия исследований в лабораториях по всему миру, этот рубеж оставался непреодолимым. Теперь он преодолен.
Исследователи из Университета Хьюстона и Аргоннской национальной лаборатории достигли сверхпроводимости при 151 кельвине при нормальном давлении — на 18 кельвинов выше предыдущего рекорда. Но не менее важно то, как именно они это сделали. Подход оказался одновременно простым и неочевидным.
Команда работала с оксидом меди Hg-1223 — тем самым материалом, который и удерживал предыдущий рекорд с начала 1990-х годов. Сначала крошечные образцы сжали в алмазной наковальне до почти 30 гигапаскалей — это примерно 300 000 атмосфер, в 300 раз больше, чем давление на дне океана. В таких условиях температура сверхпроводящего перехода материала существенно возросла, что само по себе не является новостью: учёные давно знают, что давление может улучшать сверхпроводящие свойства. Проблема всегда заключалась в другом — стоит снять давление, как эффект исчезает.
Ключевым шагом стало то, что произошло после сжатия. Вместо того чтобы медленно возвращать материал к нормальным условиям, исследователи резко сбросили давление, одновременно удерживая образец в холоде. Этот прием — так называемая закалка давлением — «заморозил» материал в метастабильном состоянии. Атомная структура просто не успела вернуться к исходной форме. В результате материал сохранил улучшенные свойства даже после полного снятия давления.
Чтобы понять, почему это сработало, команда воспользовалась рентгеновскими пучками Аргоннской лаборатории. Измерения показали: быстрое сброс давления оставляет в кристаллической структуре многочисленные микроскопические дефекты. Обычно такие дефекты считаются нежелательными — но в данном случае именно они, по-видимому, стабилизируют сверхпроводящее состояние. Материал сохраняет своеобразную «структурную память» об условиях высокого давления и не возвращается полностью к первоначальному виду.
Сверхпроводники способны проводить электрический ток без каких-либо потерь на сопротивление. Если бы такие материалы можно было использовать в обычных условиях, это открыло бы путь к принципиально более эффективным электрическим сетям, более мощным магнитам для медицины и термоядерной энергетики, а также к новым квантовым технологиям.
Проблема в том, что большинство сверхпроводников требуют охлаждения почти до абсолютного нуля, а те, что работают при более высоких температурах, до сих пор нуждались в огромном давлении — что делало их практически непригодными за пределами лаборатории.
Новый результат не решает проблему полностью, поскольку материал по-прежнему требует глубокого охлаждения и остается далеким от комнатной температуры. Однако он доказывает принципиально важную вещь — улучшение, достигнутое под давлением, может сохраняться после его снятия.
«Поскольку этот материал сохраняет сверхпроводимость при нормальном давлении, учёные могут изучать его с помощью широко доступных приборов и приступать к разработке технологий, работающих в обычных условиях», — пояснил физик Аргоннской лаборатории Хуа Чжоу.
