Новое исследование, проведенное физиками Колумбийского университета, приближает сверхпроводники к практическому применению. Эта работа может открыть путь к технологиям беспроводной зарядки автомобилей, эффективной передаче энергии и разработке компьютеров с экспоненциально более высокой скоростью благодаря улучшению процесса переноса электронов.
В настоящее время большинство технологий используют полупроводники для передачи энергии в микросхемах, транзисторах и диодах, что связано с потерями энергии и ограниченной скоростью передачи. Сверхпроводники предлагают возможность практически безубыточной передачи энергии, однако их применение в повседневной жизни затруднено из-за необходимости поддержания экстремально низких температур или высокого давления, а также из-за недостаточного понимания принципов их работы.
Современное использование сверхпроводников
Некоторые чистые элементы, в том числе свинец, олово и алюминий, и экзотические соединения, такие как ниобий-титан, были идентифицированы как сверхпроводники. Однако необходимость использования экстремально низких температур или высокого давления для проявления их сверхпроводящих свойств ограничивает применение этих материалов в реальных условиях, в основном до аппаратов магнитно-резонансной томографии и ускорителей частиц.
Даже в этих редких случаях сверхпроводники остаются дорогими и сложными в эксплуатации. Отсутствие полного понимания физиками принципов их работы препятствует созданию материалов, обладающих сверхпроводящими свойствами, но при этом более доступных в цене и удобных в использовании, что и определяет их практическую ценность.
Проектирование материалов будущего
До начала исследований, проведенных командой из Колумбийского университета, физик Пабло Харилло-Эррера, ранее работавший в Массачусетском технологическом институте, уже провел новаторские исследования в области сверхпроводников, послужившие источником вдохновения для этой команды. Харилло-Эррера изучал новый материал – графен, представляющий собой однослойную структуру из атомов углерода. Он выявил, что укладывание графена в два или три слоя и последующее точное скручивание листов позволяет придать веществу свойства сверхпроводника.
«Оставался важным вопрос: обусловлена ли сверхпроводимость особыми характеристиками графена или же ее можно спровоцировать, скручивая различные сочетания двумерных материалов », — отмечает физик из Колумбийского университета Кори Р. Дин.
Дин руководил работой колумбийской группы, занимавшейся изучением сверхпроводников, и продолжил исследования графена, сконцентрировавшись на соединении диселенида вольфрама с 2020 года. Чтобы изменить кристаллическую структуру материала, исследователи разрезали его на слои толщиной в один или два атома, после чего провели точные манипуляции с этими слоями. Благодаря этим действиям, команда достигла сверхпроводимости, индуцированной в материале посредством наноразмерных модификаций, что подтверждает перспективность использования двумерных материалов с небольшим несоответствием решетки для улучшения проводимости. Полученные данные предоставляют ценные сведения для дальнейшего развития этого свойства в области материаловедения.
Скручивание металла
Несмотря на многолетний опыт работы, точный метод достижения сверхпроводимости был выявлен ими лишь недавно. Специалисты соединили два листа, повернув один из них на пять градусов, и завершили процесс охлаждением материала до температуры, немного превышающей абсолютный ноль. В ходе экспериментов, двухслойная структура обеспечивала передачу электронов значительно быстрее, чем обычные проводники.
В настоящей работе продемонстрирован значительный прогресс в области сверхпроводимости, однако предстоит решить еще немало задач. Чрезмерно строгие требования к охлаждению графена и диселенида вольфрама снижают вероятность их использования в качестве замены сверхпроводников, применяемых в томографах и других устройствах. Несмотря на это, проведенное исследование стало важным этапом в изучении соответствующих процессов, что потенциально может способствовать созданию более практичных сверхпроводников.
«Создание сверхпроводника, функционирующего при обычной температуре, – заветная цель », — говорит Дин. «Представленная нами разработка способна стать тем самым решением, которое воплотит эту мечту в жизнь ».
Исследование опубликовано в журнале .