Анонс: В научном сообществе представлены результаты исследования, способные изменить представление о высокотемпературной сверхпроводимости. Ученые использовали метод сжатия материала под высоким давлением с последующим его быстрым сбросом. Этот подход позволил значительно снизить требуемую степень охлаждения для перехода материала в сверхпроводящее состояние. Соединение на основе ртути и меди продемонстрировало сверхпроводимость при температуре до 151 кельвина в условиях атмосферного давления. Данный результат, если он будет независимо подтвержден, претендует на новый рекорд для сверхпроводников, работающих при атмосферном давлении, превосходя предыдущие достижения примерно на 18 градусов. Работа открывает новые перспективы для практического применения сверхпроводящих технологий.
Основной вывод: Представленная методика управления свойствами материала через давление предлагает новый путь к созданию сверхпроводников, работающих при более высоких температурах. Подтверждение рекордных характеристик соединения на основе ртути и меди может стать значительным шагом в развитии энергетики, транспорта и медицинской диагностики, снижая затраты на криогенное охлаждение.
Ячейка с алмазной наковальней (показана) используется для увеличения давления, а затем быстро восстанавливает его сброс в новом рекордном сверхпроводнике.
Ничто так не говорит о том, что в 90-е годы вернулся как вызов рекорду высокотемпературного сверхпроводника, установленного в 1993 году.
Сжимая материал до высокого давления, а затем быстро отпуская его, ученые уменьшили количество охлаждения, необходимое для того, чтобы он стал сверхпроводником. Соединение на основе ртути и меди демонстрирует сверхпроводимость до температуры 151 кельвин (минус 122,15 градуса по Цельсию) в условиях атмосферного давления, о чем сообщают исследователи 9 марта в журнале «Труды Национальной академии наук». Если результат подтвердится, это будет сверхпроводник с самой высокой температурой, которая, как известно, существует при атмосферном давлении, примерно на 18 градусов превышающей предыдущий рекорд.
Электричество проходит через сверхпроводники без сопротивления, и это свойство может быть использовано в различных техничес…ких приложениях, от мощных электромагнитов для передачи энергии. Но для того, чтобы все замечательные сверхпроводники функционировали, их необходимо охлаждать значительно ниже температуры нагрева, что ограничивает их применимость. (Более ранние заявления о сверхпроводимости при нагревании не подтвердились.)
Когда материалы сжимаются до экстремального давления, возможны более высокие температуры, но это затрудняет изучение и использование материалов. Соединение Лантана и Великобритании обладает сверхпроводимостью до 260 Кельвинов (-13,15°C) при освещении, почти в 2 миллиона раз превышающей давление земной атмосферы. Это самая высокая температура сверхпроводимости, когда-либо подтвержденная.
«Новый результат может вызвать явления, к которым ранее было трудно получить доступ, более доступными», — говорит физик Джеймс Хэмлин из Университета Флориды в Гейнсвилле, который не участвовал в работе. «При высоком давлении происходит так много интересных вещей, и идея о том, что мы сможем часть этого вернуть обратно к атмосферному давлению, действительно захватывающему».
Новый сверхпроводник принадлежит к классу соединений оксида меди, называемых купратами. В 1980-х и 1990-х годах купраты неоднократно били температурные рекорды сверхпроводимости. Но в конце концов прогресс застопорился. В 1993 году купрат на основе ртути под названием Hg-1223 достиг температуры 133 К при атмосферном воздухе. С тех пор этот рекорд остается неизменным. Теперь, как и Trapper Keepers, джинсы и резинки для волос, выстиранные кислоты, купраты выжили.
Исследователи увеличили давление на кристаллы Hg-1223 до 10–30 гигапаскалей (примерно в 100 000–300 000 раз больше атмосферного давления), сжимая материал между двумя алмазами в устройстве, называемом ячейкой с алмазной наковальней. Это давление на понижение температуры, при котором сопротивление материала начинает падать.
Затем ученые установили очень низкую температуру, около 4 Кельвинов, и внезапно сбросили давление. Возможно, это помогло предотвратить возвращение материала в исходное состояние: при повторном нагревании материала сохраняются признаки высокотемпературной сверхпроводимости, но при атмосферном давлении.
По словам физика Пола Чу из Хьюстонского университета, эта техника непроста, и это причина, почему предыдущий рекорд держится с 90-х годов. «Когда вы уменьшаете давление на такой высокой скорости, все разлетается на куски», — говорит Чу. Алмазы могут сломаться, электрические контакты могут разорваться, что приведет к срыву измерений. Но когда эксперименты Чу и его коллеги сработали, материал превратился в сверхпроводник при температуре, близкой к 150 Кельвинам.
Манипулирование осуществляется путем быстрого изменения условий, известных как закалка. Он может зафиксировать желаемые свойства материала до того, как они успешно изменятся. Например, температурная закалка используется при производстве стали — вспомните, как кузнецы помещают раскаленный металл в ванну с водой, чтобы быстро его охладить.
«Это потрясающий метод», — говорит химик-теоретик Ева Зурек из Университета Буффало в Нью-Йорке. И это может быть применено к другим сверхпроводящим материалам. «Но это срабатывает не во всех случаях». Сверхпроводящие материалы должны быть метастабильными, то есть минимум они могут сохранить свои свойства, хотя бы временно, при снятии давления.
Чу и его коллеги сообщили, что материал сохраняет свою высокотемпературную сверхпроводимость в течение как минимум трех дней при хранении в жидком азоте (температура 77 кельвинов), но хранение его в более теплых условиях (около 200 кельвинов) приводит к ухудшению свойств материала.
В ходе экспериментов по доказательству сверхпроводимости было то, что сопротивление резко падало, когда материал охлаждался ниже температуры. Но исследователи не показали очевидного, что сопротивление достигло нуля — это более строгий критерий того, что материал является сверхпроводником. Подобные измерения могут быть затруднены в экспериментах с ячейкой с алмазной наковальней.
Однако уже хорошо известно, что этот материал сверхпроводящий. По сравнению со спорными и дискредитированными исследованиями, которые в последние годы опережают область сверхпроводимости, «это гораздо более прямолинейное утверждение», — говорит Хэмлин. «Это ни в коем случае не выходит из левого поля».