Благодаря новому исследованию ученых Колумбийского университета сверхпроводники приблизились к реальному применению.
Большинство технологий используют полупроводники для передачи энергии в микросхемах, транзисторах и диодах, которые теряют энергию и работают медленно. Сверхпроводники передают энергию практически без потерь, но недоступны для широкого использования из-за необходимости экстремально низких температур или давления, а также недостаточного понимания их свойств учеными.
Современное использование сверхпроводников
Ученые выяснили, что такие чистые элементы как свинец, олово и алюминий, а также экзотические соединения, например ниобий-титан, обладают сверхпроводящими свойствами. Необходимые для работы этих материалов низкие температуры или высокое давление ограничивают применение до ряда конкретных задач, таких как аппараты МРТ и ускорители частиц.
Ввиду малого числа случаев применения сверхпроводники остаются дорогостоящими и сложными в эксплуатации. Непонимание физиками принципа функционирования сверхпроводников затрудняет разработку материалов, обладающих сверхпроводящими свойствами при более низкой стоимости и простоте использования, что повысило бы практичность.
Проектирование материалов будущего
Прежде чем команда из Колумбийского университета приступила к своим исследованиям, физик Пабло Харилло-Эррера, ранее работавший в Массачусетском технологическом институте, провел новаторские работы по сверхпроводникам, которые вдохновили команду. Харилло-Эррера изучал новый материал – графен, состоящий из одного слоя атомов углерода. Исследователь обнаружил, что при укладывании графена в два или три слоя и последующей точной скручивании листов можно наделить вещество сверхпроводимостью.
«Задавался вопросом о том, связана ли сверхпроводимость с особенностью графена или ее можно получить, сплющивая любые двумерные материалы. «— утверждает физик из Колумбийского университета Кори Р. Дин. »
Дин возглавил колумбийскую команду в работе над сверхпроводниками, продолжив исследования графена и сосредоточившись на соединении диселенида вольфрама начиная с 2020 года. Исследователи изменили кристаллическую структуру материала, нарезав его на листы толщиной в один или два атома, а затем проведя точные манипуляции с этими листами. В результате команда получила сверхпроводимость, индуцированную в материале с помощью наноразмерных модификаций, продемонстрировав полезность двумерных материалов с небольшим несоответствием решетки для повышения проводимости. Полученные результаты дают знания для развития этого свойства в будущем материаловедении.
Скручивание металла
Работая уже пятнадцать лет, команда только недавно обнаружила точный процесс вызывания сверхпроводимости. Приложив два листа друг к другу, повернув один на пять градусов и охладив материал до температуры на полградуса выше абсолютного нуля, команда добилась результата. В ходе испытаний двухлистовая конструкция передавала электроны на порядки быстрее, чем стандартные проводники.
Несмотря на значительный прогресс в области создания сверхпроводимости, представленный в данной работе, для замены существующих сверхпроводников в аппаратах МРТ и других приложениях многое еще предстоит сделать. Экстремальные требования к охлаждению графена и диселенида вольфрама делают их маловероятными кандидатами на эту роль. Тем не менее, эта работа является большим шагом вперед в понимании происходящих явлений и может привести к созданию более универсальных сверхпроводников.
«Создание сверхпроводника для работы при обычной температуре – настоящая мечта. », — говорит Дин. «Возможно, наше открытие станет той путеводной звездой, которая поможет осуществить эту мечту. ».
Исследование опубликовано в журнале .