Поиск высокотемпературных сверхпроводников чрезвычайно сложен, поскольку многие квантовые эффекты, связанные со сверхпроводимостью, еще недостаточно изучены. Профессор Невен Бариši, профессор физики твердого тела в Венском техническом университете (Вена) проводит эксперименты с купратами, классом материалов, которые ведут себя как сверхпроводник при рекордных температурах до 140 К при атмосферном давлении. БариšЯ и его коллеги получили замечательный набор результатов и новых идей, которые могут коренным образом изменить наше представление об этих сложных материалах и высокотемпературной сверхпроводимости в целом.
В поисках Святого Грааля
«Явление высокотемпературной сверхпроводимости тщательно исследовалось на протяжении десятилетий, но никто еще не решил проблему», – говорит Невен Бариšя. «Довольно много материалов демонстрируют сверхпроводящие свойства при температурах, близких к абсолютному нулю, и мы понимаем, почему это происходит в некоторых из них. Но настоящая проблема состоит в том, чтобы понять сверхпроводимость в купратах, где это состояние сохраняется при гораздо более высоких температурах. Материал, который ведет себя как сверхпроводник при комнатной температуре, был бы Святым Граалем физики твердого тела – и мы все ближе и ближе."
Бариši и его коллеги показали, что в купратах есть два принципиально разных типа носителей заряда, и предположили, что сверхпроводимость решающим образом зависит от тонкого взаимодействия между ними.
Некоторая часть электрического заряда локализована – каждый из этих носителей заряда находится в определенном наборе атомов и может удаляться, только если материал нагревается. Другие носители заряда могут перемещаться, перепрыгивая с одного атома на другой. Именно мобильный заряд в конечном итоге становится сверхпроводящим, но сверхпроводимость можно объяснить, только приняв во внимание неподвижные носители заряда.
«Между мобильными и неподвижными носителями заряда существует взаимодействие, которое определяет свойства системы», – говорит Бариšя. «По-видимому, неподвижные заряды действуют как клей, связывая пары мобильных носителей заряда вместе, создавая так называемые куперовские пары, которые являются основной идеей классических сверхпроводников. После спаривания носители заряда могут стать сверхпроводящими, и материал может переносить ток с нулевым сопротивлением."
Это означает, что для получения сверхпроводимости должен быть тонкий баланс подвижных и неподвижных носителей заряда. Если локализованных носителей заряда слишком мало, то не хватит «клея» для сопряжения мобильных носителей заряда.
Если же мобильных носителей заряда слишком мало, то «клею» не к чему спарить. В любом случае сверхпроводимость ослабляется или вообще прекращается.
При оптимальном среднем уровне сверхпроводимость сохраняется при чрезвычайно высоких температурах. Было сложно понять, что баланс между мобильными и неподвижными зарядами меняется постепенно в зависимости от температуры или допинга.
"Мы провели множество различных экспериментов с купратами, собрав большие объемы данных.
И, наконец, теперь мы можем предложить исчерпывающую феноменологическую картину сверхпроводимости в купратах », – говорит Невен Баришич. Недавно он опубликовал свои выводы в нескольких журналах, последний из которых – в Science Advances, которые демонстрируют, что сверхпроводимость также появляется постепенно. Это важный шаг к пониманию купратов и поиску новых, еще более совершенных сверхпроводников.
Если бы стало возможным создавать материалы, которые остаются сверхпроводниками даже при комнатной температуре, это имело бы далеко идущие последствия для технологий. Можно построить электронные устройства, практически не потребляющие энергии.
Можно построить парящие поезда, используя чрезвычайно сильные сверхпроводящие магниты, чтобы сделать дешевую и сверхбыструю транспортировку возможной. «Мы еще не приблизились к этой цели», – говорит Невен Баришич. "Но глубокое понимание высокотемпературной сверхпроводимости проложило бы путь к этому. И я считаю, что сейчас мы сделали несколько важных шагов в этом направлении."