Больше 30 лет физики не могли пробить температурный потолок в 133 кельвина (около -140 °C). Долгие десятилетия поисков приводили к одному и тому же результату: ни один материал не хотел проводить ток без сопротивления в более тёплых условиях, если не сжимать его до экстремальных значений.
Но исследователям из Хьюстонского университета и Аргоннской национальной лаборатории (ANL) удалось сломить эту тенденцию. Секрет крылся в резком перепаде давления.
Учёные подвергли купратный сверхпроводник колоссальному сжатию, а затем мгновенно сняли нагрузку. Итог — стабильная сверхпроводимость при 151 К (-123 °C) в условиях обычного атмосферного давления.
Преодоление 30-летнего предела
Для энергетики и технологий будущего это колоссальный шаг. Сверхпроводники передают электричество без сопротивления.
На практике это означает нулевые потери в электросетях, а также зелёный свет для мощнейших магнитов, квантовых компьютеров и коммерческих термоядерных реакторов. До сих пор главная беда отрасли сводилась к компромиссам.
Большинство сверхпроводников работают лишь в условиях глубокой заморозки. Те редкие сплавы, что способны функционировать при температурах, близких к комнатным, требуют гигантского давления. Построить такую установку за пределами лаборатории пока нереально.
Теперь же доказано: высокое давление не обязано быть постоянным. Если зафиксировать материал в нужной структурной фазе, он запомнит температурный скачок, который обычно исчезает, как только убирают давление.
Команда исследователей сделала ставку на медно-оксидный сверхпроводник Hg-1223. Именно он удерживал мировой рекорд при нормальном давлении с начала 90-годов.
Авторы исследования поясняют, что выбрали химически стабильный Hg-1223 специально для метода барической закалки. Раньше этот материал показывал 133 К в обычных условиях, но при сильном сжатии его характеристики взлетали до 164 К.
Чтобы добиться нужного эффекта, крошечные образцы зажали в ячейке с алмазными наковальнями. Давление довели почти до 30 гигапаскалей — это примерно в 300 раз больше, чем на дне Марианской впадины. В столь экстремальной среде температура перехода ожидаемо взлетела.
Самое интересное началось на этапе декомпрессии. Физики не стали плавно возвращать материал к нормальной жизни. Вместо этого они резко сбросили давление, не давая образцу нагреться. В физике этот трюк называют барической закалкой.
Материал переходит в метастабильное состояние: его атомная структура просто не успевает вернуться к исходным настройкам. Благодаря этому образец сохранил сверхпроводимость при 151 К даже после полного снятия нагрузки, побив прошлый рекорд сразу на 18 кельвинов.
Рентгеновский анализ структурных изменений
Зафиксировать рекорд — лишь половина дела. Учёным нужно было понять механику процесса: почему после декомпрессии материал не теряет приобретённых свойств.
За ответами команда отправилась к усовершенствованному источнику фотонов (Advanced Photon Source) в ANL. Сверхточные рентгеновские лучи помогли разглядеть мельчайшие перестройки внутри кристалла прямо в момент резкого сброса давления.
Выяснилось, что стремительная декомпрессия оставляет в кристаллической решётке сеть микроскопических дефектов. В классическом материаловедении такие аномалии считаются браком. Но здесь всё сработало наоборот: именно эти микродефекты стабилизировали сверхпроводящее состояние.
Оказалось, что материал обладает своеобразной «структурной памятью». Вместо того чтобы расслабиться и принять исходную форму, он удерживает внутреннюю конфигурацию. И этого напряжения хватает, чтобы проводить ток без сопротивления при рекордных температурах.
Перспективы внедрения технологии
Конечно, новый рекорд не отменяет криогеники: рабочие температуры всё ещё бесконечно далеки от комнатных. Зато эксперимент доказал фундаментальную вещь — сверхпроводимость, вызванная давлением, никуда не исчезает после снятия нагрузки. К этому результату наука шла не один десяток лет.
Теперь, когда материалу больше не нужны тиски с экстремальным сжатием, его можно спокойно изучать в обычных лабораториях. Это развязывает руки инженерам и заметно приближает этап коммерческого применения.
Физик из ANL Хуа Чжоу подчёркивает: раз материал сохраняет свойства при нормальном давлении, теперь его можно тестировать на стандартном оборудовании. А значит, адаптация технологии для реальной жизни пойдёт гораздо быстрее.
Следующий шаг — проверить, сработает ли барическая закалка на других сверхпроводниках. Особенно на тех, что при сжатии показывают ещё более высокие температуры перехода.
Если метод окажется универсальным, появится реальный шанс создать сверхпроводники нового поколения, которым не потребуются ни экстремальный холод, ни гигантское давление.
Хочу первым узнавать о ТЕХНОЛОГИЯХ – ПОДПИСАТЬСЯ на Telegram
Читать свежие обзоры гаджетов на нашем сайте – TehnObzor.RU