Физики вызвали сверхпроводимость без охлаждения

Резонансное колебание атомов кислорода (размытые) между слоями оксида меди (голубые) под действием световых импульсов вызывает изменение положения атомов в кристаллической решётке, утолщение слоёв
(иллюстрация Joerg M.Harms/MPSD).

Сверхпроводимость — уникальное свойство некоторых материалов, которое позволяет передавать электричество без сопротивления, а следовательно, без потерь.

Несмотря на то, что впервые этот эффект был открыт в начале XX века, долгое время ему не могли найти практического применения. Дело в том, что первые сверхпроводники работали при температуре близкой к абсолютному нулю, а для их охлаждения исследователи использовали жидкий гелий.

Первый серьёзный переворот в этой области произошёл около 25 лет назад с открытием так называемых высокотемпературных сверхпроводников. Несмотря на название, их всё ещё требовалось охлаждать до весьма низких с точки зрения человека температур. Но инженеры с помощью жидкого азота научились использовать сверхпроводимость в некоторых устройствах, например, в магнитно-резонансных томографах и в ускорителях частиц.

Ряд работ, начатых в 2013 году, приближает человечество к созданию проводников, демонстрирующих нулевое сопротивление при комнатной температуре. Мы уже писали, что учёные из Кембриджского университета впервые описали природу возникновения высокотемпературной сверхпроводимости. Теперь международная команда физиков из Института структуры и динамики вещества Макса Планка (Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie) с помощью коротких инфракрасных лазерных импульсов вызвала сверхпроводимость в керамическом материале при комнатной температуре.

Учёные работали с распространённым высокотемпературным сверхпроводником — оксидом итрия-бария-меди, известным как YBCO. Он демонстрирует эффект нулевого сопротивления при температуре минус 180 градусов Цельсия.

Его кристаллы обладают сложной структурой: тонкие двойные слои оксида меди чередуются с более толстыми промежуточными слоями, содержащими барий, медь и кислород. Сверхпроводимость возникает между тонкими слоями, где электроны объединяются в так называемые куперовские пары. В этом состоянии пары проходят сквозь слои материала, как призраки в мультфильмах проникают сквозь стены.

Ещё год назад команда под руководством Андреа Каваллери (Andrea Cavalleri) обнаружила необычный эффект от облучения YBCO лазерными импульсами. Учёные предположили, что короткие вспышки света на небольшой промежуток времени изменяли связи между двойными слоями оксида меди. Однако до конца понять причины возникновения сверхпроводимости при комнатной температуре удалось только после подключения "тяжёлой артиллерии" — самого мощного в мире рентгеновского лазера (LCLS).

"Сначала мы как обычно воздействовали на кристалл импульсом инфракрасного света, что вызывало колебание отдельных атомов, — объясняет ведущий автор работы Роман Манковский (Roman Mankowsky) в пресс-релизе института. — Затем следовал короткий рентгеновский импульс, с помощью которого мы точно определяли кристаллическую структуру возбужденного материала".

Оказалось, что инфракрасная вспышка не только инициирует колебания атомов в материале, но и заставляет их изменять свою позицию в кристалле. В результате слои диоксида меди становились толще на два пикометра, что соответствует всего лишь одной сотой диаметра составляющих их атомов.

Одновременно на такое же расстояние сокращалось расстояние между двумя соседними слоями. Эти изменения могут показаться ничтожными, но даже этого незначительного сближения хватило, чтобы сверхпроводимость проявлялась при более выгодных для учёных условиях.

Несмотря на то, что эффект продолжался всего несколько миллионных долей секунды, результаты работы, опубликованные в издании Nature, помогут в поиске новых проводников и способов расширения области их применения.

Сейчас необходимость низкотемпературного охлаждения серьёзно затрудняет повсеместное использование сверхпроводимости. В тот день, когда эти меры больше не понадобятся, нас ждёт настоящая технологическая революция.

Сегодня