В течение 40 лет семейство кристаллов удивляло физиков способностью «сверхпроводить» электрический ток без сопротивления даже при высоких температурах, недостижимых для других материалов. Новые методы микроскопии, разработанные исследователями, могут разгадать тайну этих сверхпроводников и проложить путь к созданию материалов с комнатной температурой, что произведет революцию в электроснабжении.
Сверхпроводимость – удивительное состояние вещества в квантовой физике. Ток течёт по сверхпроводнику без рассеяния, сопротивление полностью отсутствует. Отсутствие диссипации означает отсутствие потерь энергии, и «сверхток», раз начавшийся в замкнутом контуре сверхпроводника, может сохраняться бесконечно долго. При очень низких температурах электроны внутри сверхпроводников объединяются в пары — пары Купера.
Заряженные одинаково отрицательными зарядами электроны обычно отталкивают друг друга. В сверхпроводниках, согласно другому квантово-механическому правилу, между электронами может появиться притяжение. Разобраться, почему в одних материалах электроны объединяются в пары, а в других нет, — большая задача для создания новых сверхпроводящих материалов, работающих при комнатной температуре.
Сверхпроводники на основе оксида меди были открыты в 1986 году — как отмечает профессор Амалия Колдеа, возглавляющая группу «Квантовая материя в высоких магнитных полях» в Оксфорде. Только сейчас некоторые из этих купратов достигли своего производственного потенциала для использования в мощных магнитах. В них присутствуют листы меди и кислорода, зажатые между слоями других элементов. Достижение сверхпроводящего состояния при комнатной температуре — это цель, достигнув которой можно получить массу практических преимуществ. «.
Международная группа учёных во главе с Семусом Дэвисом, профессором квантовой физики Университетского колледжа Корка и Оксфордского университета, объявила о результатах, раскрывающих атомный механизм высокотемпературных сверхпроводников. Результаты исследования опубликованы в журнале. .
Показатель комнатной температуры является ключевым фактором для широкого распространения.
Как говорилось ранее, сверхпроводники — материалы, которые могут проводить электричество без сопротивления, позволяя току течь бесконечно долго без потери энергии. Их применяют во многих областях, например, в МРТ-сканерах, но для работы им нужны чрезвычайно низкие температуры.
Некоторые сверхпроводники способны функционировать при более высоких температурах, например, оксиды меди (купраты). Для их изучения группа исследователей сначала разработала особый купрат — висмут-стронций-кальций-оксид меди (BSCCO), в котором слои атомов меди и кислорода сжаты в волнистый узор, что меняет расстояния между атомами.
На втором этапе разработали два новых метода микроскопии. Первый измеряет разницу в энергии между орбиталями атомов меди и кислорода в зависимости от их расположения.
В отличие от планет, вращающихся вокруг Солнца, электроны не могут находиться на любом расстоянии от ядра; существование возможно только в определенных местах, называемых разрешенными орбиталями. В квантовой механике атомная орбиталь — это математическая функция, описывающая волновое поведение электрона или пары электронов вокруг атома, показывая вероятность его присутствия в конкретном месте.
Разницу между орбиталями определяет теория, связанная со сверхпроводниками. Квантовое явление называется суперобменом и представляет собой силу, возникающую из способности электронов перескакивать между атомными орбиталями в более низкое энергетическое состояние. Одни электроны направлены вниз, другие — вверх, при этом оставаясь вокруг ядра. Суперобмен устанавливает регулярное расположение электронов в определенных материалах, побуждая их находиться на определенном расстоянии друг от друга. Именно это эффективное притяжение может образовывать сильные куперовские пары.
Второй метод определяет величину волновой функции электронной пары (силу сверхпроводимости) для каждого атома кислорода и каждого атома меди.
В заявлении профессора Дэвиса говорится: «Изобразив силу сверхпроводимости как функцию разницы в орбитальных энергиях, удалось впервые точно измерить взаимосвязь, требуемую для подтверждения или опровержения одной из ведущих теорий высокотемпературной атомной сверхпроводимости. «.
Теория предсказывала обратную зависимость между разницей энергии переноса заряда между атомами кислорода и меди и силой сверхпроводимости. Результаты подтвердили это: чем легче электронам переходить из одного места в другое между атомами меди и кислорода в данном купрате, тем выше его критическая температура и тем сильнее его сверхпроводимость.
Исследователи из Университетского колледжа Корка, возглавляемые Шейном О’Махони, считают своё открытие историческим шагом к созданию сверхпроводников для работы при комнатной температуре.
Маглев (или магнитная левитация) может иметь далеко идущие применения, например, в поездах. В них используется метод движения, основанный на магнитах, а не на колесах, осях и подшипниках. Транспортное средство левитирует на небольшом расстоянии от направляющей с помощью магнитов для создания подъемной силы и тяги. Сверхпроводящие магниты, как и обычные, отталкиваются друг от друга, когда соответствующие полюса обращены друг к другу.
Открытие может найти применение в реакторах ядерного синтеза, квантовых компьютерах, ускорителях частиц высокой энергии, а также в высокоэффективной передаче и хранении энергии.
Авторы описывают, что в сверхпроводниках электрическое сопротивление минимально, так как проводящие ток электроны образуют стабильные пары Купера. В сверхпроводниках низких температур куперовские пары удерживаются колебаниями тепла, но при высоких температурах становятся неустойчивыми.
Новые данные свидетельствуют о том, что в сверхпроводниках при высоких температурах куперовские пары объединяются за счёт магнитных взаимодействий, а электронные пары соединяются благодаря квантовой связи через атом кислорода.
Профессор Дэвис заключает: «Эта проблема являлась одной из главных задач физиков около сорока лет. «.