Прорыв в сверхпроводниках: ученые приблизились к практическому применению

Новости МирТесен

Новое исследование физиков из Колумбийского университета приближает сверхпроводники к практическому применению. Эта работа может привести к прорывам в беспроводной зарядке транспортных средств, эффективной передаче энергии и разработке значительно более быстрых компьютеров, благодаря оптимизации процесса переноса электронов.

Сегодня многие технологии используют полупроводники для передачи энергии в микросхемах, транзисторах и диодах, что сопряжено с потерями энергии и ограниченной скоростью передачи. Сверхпроводники предлагают возможность практически идеальной передачи энергии без потерь, однако их применение в повседневной жизни затруднено из-за необходимости поддерживать экстремально низкие температуры или высокое давление, а также из-за недостаточного понимания учеными 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 немногих случаях сверхпроводники остаются дорогостоящими и сложными в эксплуатации. Отсутствие полного понимания физиками принципов их работы препятствует созданию материалов, которые сохраняют сверхпроводящие свойства при меньшей стоимости и удобстве применения, что, в свою очередь, ограничивает их практическую ценность.

Проектирование материалов будущего

Физик Пабло Харилло-Эррера, ранее работавший в Массачусетском технологическом институте, провел новаторские исследования сверхпроводников, которые послужили отправной точкой для работы команды из Колумбийского университета. В своих исследованиях Харилло-Эррера изучал графен – материал, состоящий из одного слоя атомов углерода. Он выяснил, что если укладывать графен в два или три слоя и затем скручивать листы определенным образом, то вещество приобретает сверхпроводящие свойства.

«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 колумбийской группой исследователей, занимавшихся разработкой сверхпроводников, и продолжил изучение графена, сосредоточившись на соединении диселенида вольфрама с 2020 года. Чтобы изменить кристаллическую структуру материала, ученые разрезали его на слои толщиной в один или два атома, после чего провели точные манипуляции с этими слоями. В ходе работы команда добилась сверхпроводимости, индуцированной в материале посредством наноразмерных изменений, что подтверждает ценность двумерных материалов с незначительными дефектами кристаллической решетки для повышения электропроводности. Полученные данные предоставляют важные сведения для дальнейшего развития этого свойства в будущем материаловедении.

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 еще многое сделать. Существенные требования к охлаждению графена и диселенида вольфрама снижают вероятность их использования в качестве замены традиционных сверхпроводников, применяемых в томографах и других устройствах. Несмотря на это, выполненная работа является важным этапом в изучении этих явлений и может способствовать разработке более перспективных сверхпроводников.

«Создание сверхпроводника, функционирующего при обычной температуре, – заветная цель », — говорит Дин. «Данное достижение способно стать тем решающим фактором, который воплотит эту мечту в жизнь ».

Исследование опубликовано в журнале .