В 1911 году голландский физик Хейке Камерлинг-Оннес охладил ртуть до температуры около -270 градусов по Цельсию и неожиданно обнаружил, что электрическое сопротивление металла при этом резко упало до нуля. Так было открыта сверхпроводимость.
Вскоре был выявлен целый ряд материалов, способных пропускать через себя электрический ток без потерь. Однако их практическое применение затрудняло то обстоятельство, что для работы их требовалось охладить практически до абсолютного нуля (-273 градуса по Цельсию).
Новое развитие тема получила в конце прошлого века, когда был открыты материалы, которые демонстрировали нулевое сопротивление при гораздо более высоких температурах. Такие соединения назвали высокотемпературными сверхпроводниками. Возможность использования в качестве криогенной жидкости относительно дешёвого жидкого азота открыло для таких веществ широкие перспективы для использования в электрических сетях нового поколения, суперкомпьютерах и поездах на магнитных подушках. Однако почти 30 лет природа высокотемпературной сверхпроводимости оставалась загадкой для физиков всего мира, затрудняя поиск новых материалов с удивительными свойствами.
В обычных устройствах электроны, путешествуя по проводящим путям, сталкиваются друг с другом и теряют энергию. Но в сверхпроводниках при достаточно низкой температуре электроны начинают перемещаться тесно связанными парами. При этом их движение становится прямолинейным, и они плавно без потерь могут сколь угодно долго двигаться сквозь структуры проводника. В низкотемпературных сверхпроводниках пары электронов удерживаются в результате особых взаимодействий с металлической решёткой вещества. При повышении температуры такое взаимодействие пропадает, пары распадаются, и сверхпроводимость исчезает.
В высокотемпературных сверхпроводниках электроны так же двигаются в паре, но до сих пор учёные не могли объяснить, какие силы удерживают их вместе. В результате физики могли искать новые материалы лишь способом бессистемного подбора, потому что оставалось неясным, на какие свойства обращать внимание.
Но, похоже, исследователи из Кембриджа наконец поняли природу возникновения высокотемпературной сверхпроводимости.
Доктор Сучитра Себастиан (Suchitra Sebastian) и её коллеги решили подойти к проблеме с обратной стороны. Они исследовали свойства материалов в обычном, а не в сверхпроводимом состоянии.
"Мы пытались понять, какие виды взаимодействий происходят в материале до того, как электроны объединяются в пару, потому что одно из этих взаимодействий и соединяет электроны друг с другом, — говорит Себастиан в пресс-релизе университета. — Когда электроны спарены, невозможно понять, что их объединило, но если мы можем разбить пары, становится ясно, что послужило причиной возникновения сверхпроводимости".
Работая с чрезвычайно сильными магнитными полями, команда сумела разрушить сверхпроводимость так называемых купратов — тонких слоёв из меди и кислорода, разделённых сложными комплексами атомов. В этих экспериментах учёные наблюдали, как рябь электронов, известная как волны зарядовой плотности, создаёт в материале своеобразные "карманы", которые играют ключевую роль в образовании электронных пар.
Раньше считалось, что эти карманы возникают в областях с максимальной сверхпроводимостью. Но новое исследование показало, что карманы образуют сложную плетёную структуру, похожую на башню из игры "Дженга", где каждый следующий ряд брусков лежит перпендикулярно предыдущему. При этом они возникают в областях с самыми слабыми сверхпроводящими свойствами, а вызывает их появление рябь электронов.
"Теперь мы можем выявлять сверхпроводимость в других материалы со схожими свойствами, — говорит Себастиан. — Надеюсь, это поможет нам найти новые сверхпроводники, работающие при ещё более высокой температуре, вплоть до комнатной".
Подробнее с результатами исследования можно познакомиться в статье в издании Nature.
Также по теме:
Сверхпроводящий кабель интегрировали в энергосистему города
"Город будущего". Cверхпроводники
Самым точным в мире часам придумали ещё одно применение
Физики доказали, что магнитное поле изменяет передачу тепла материалом
Сверхпроводимость помогла создать 3D-камеру, которая видит на километр
Вымоченный графит продемонстрировал сверхпроводимость при температуре выше 100 °C
