Уже более столетия физика конденсированного состояния пытается решить одну из своих величайших нерешенных задач: как создать сверхпроводники, которые будут работать при комнатной температуре и передавать электричество без потерь.
Теперь, в бумага Недавно опубликованная в журнале Nature, группа физиков из Гарварда сообщила о новом понимании того, почему один многообещающий сверхпроводник дает загадочно неравномерные результаты.
Исследователи использовали новый метод для изучения материалов под высоким давлением, добавив квантовые датчики к простому устройству, впервые разработанному нобелевским лауреатом из Гарварда в прошлом веке, инструменту, который, вероятно, окажется полезным для продвижения будущих исследований.
«Мы можем задавать вопросы под большим давлением, которые никогда раньше не могли задать», — сказал Норман Яо ’09, к.т.н. ’14 лет, профессор физики и старший автор нового исследования. «И вопрос, который мы чаще всего получаем от наших коллег: можете ли вы измерить и наш камень?»
Большинство существующих проводников не могут передавать электричество без некоторого сопротивления и, таким образом, теряют мощность (в США при передаче теряется около 5 процентов электроэнергии, но в некоторых странах потери составляют половину производимой энергии). Сверхпроводники имеют нулевое сопротивление и, следовательно, не имеют потерь энергии, что делает их потенциально революционной инновацией.
Теоретически, более совершенные сверхпроводники могли бы сделать экономически целесообразным, например, использование ветряных электростанций в Сибири для энергоснабжения Восточной Азии или солнечных батарей в пустыне Сахара для энергоснабжения Европы.
Они также обладают большим потенциалом в других приложениях, таких как магнитные технологии, двигатели, поезда на магнитной подвеске, ускорители частиц высоких энергий и системы магнитно-резонансной томографии (МРТ). В настоящее время аппараты МРТ используют жидкий гелий, чтобы снизить температуру сверхпроводящих катушек до минус 452 градусов по Фаренгейту.
Сверхпроводники были впервые обнаружен в 1911 году, но практическое применение долгое время оставалось неясным, поскольку материалы требуют чрезвычайно низких температур.
Один прорыв произошел в 1986 году, когда Дж. Георг Беднорц и К. Алекс Мюллер обнаружили сверхпроводящие оксиды меди, или купраты, которые работали при гораздо более высоких температурах, чем ранее известные материалы (пара получил Нобелевскую премию только 19 месяцев спустя).
Это открытие спровоцировало историческую конференцию, известную как «Вудсток физики», и поиск других «высокотемпературных» (что в данном случае означает не столь холодных) сверхпроводников. Среди первых предложенных материалов были никелаты — слоистые оксиды никеля, химические «двоюродные братья» купратов.
В 2023 году был обнаружен первый объемный никелатный сверхпроводник. Открытие вызвало волнение, поскольку критическая температура материала превышала точку кипения жидкого азота (минус 320 градусов по Фаренгейту, что, хотя и смертельно холодно по человеческим меркам, но относительно тепло для сверхпроводника), но также и осторожность, поскольку сверхпроводимость возникает только при чрезвычайно высоких давлениях.
Этот материал оказался удивительно неравномерным по своим характеристикам, и некоторые ученые предположили, что лишь небольшой процент материала действительно способен к сверхпроводимости.
Чтобы лучше понять эту тайну, команда под руководством Яо и Крис Лауманн ’03, доцент физики Бостонского университета, стремился изучить эти материалы в микронном масштабе, добавляя новые приемы к старой технологии.
В первой половине 20 века гарвардский физик Перси Бриджмен провел новаторские эксперименты с материалами под высоким давлением, используя аппарат, похожий на тиски, который сжимал образцы между двумя конусообразными наковальнями из стали или карбида вольфрама (Бриджмен получил Нобелевскую премию в 1946 году).
Позже другие исследователи заменили наковальни алмазами, одним из самых твердых природных материалов на Земле. Помимо твердости, алмазы обладают еще одним преимуществом: их можно превратить в датчики.
Бомбардируя алмазы ионами и обжигая их при высокой температуре, исследователи создают дефекты, известные как «центры азотных вакансий», которые могут обнаруживать магнитные и электрические поля. В 2019 году группа Яо стала первым добавил эти центры азотных вакансий на алмазную наковальнючто позволит им проводить новые измерения материалов под давлением выше 100 гигапаскалей — примерно так же, как во внешнем ядре Земли, почти на 3000 километров ниже поверхности.
В экспериментах ячейка с алмазной наковальней — устройство размером с винную пробку — и образец закрепляются на стержне и опускаются в криостат — холодильник, температура которого может опускаться до 4 градусов Кельвина, или примерно до минус 452 градусов по Фаренгейту.
Луч зеленого света направляется внутрь алмаза, центры азотных вакансий флуоресцируют красным, и свет отражается обратно через ряд зеркал в детектор фотонов. Сложная серия операций сводится к следующему: изменения красной флуоресценции выявляют крошечные сдвиги в локальном магнитном поле вокруг никелатного образца — явление, известное как эффект Мейсснера и ключевой индикатор сверхпроводимости.
«Это измерение азотных вакансий позволяет увидеть сверхпроводимость в значительно меньших масштабах и задолго до того, как традиционные методы, основанные на сопротивлении», — сказал Srinivas Mandyamсоведущий автор новой статьи и доктор философии. студент Высшей школы искусств и наук Кеннета Гриффина, изучающий физику. «Когда вы пытаетесь открыть новые соединения, это может обнаружиться гораздо раньше, чем обычным способом».
С помощью этого метода исследователи могут нанести на карту образцы размером в миллионные доли метра и соотнести поведение локальной сверхпроводимости с температурой, давлением, стехиометрией (соотношением элементов в материале) и другими силами, включая нормальное напряжение (сжатие) и напряжение сдвига.
«Инструменты, которые мы разрабатываем как группа, совершенно особенные, потому что вы действительно можете оценить функциональность под давлением и определить, где именно материал действует как сверхпроводник», — сказал Яо.
Исследователи регулируют давление как «ручку настройки». Вблизи критического давления они увидели первые признаки сверхпроводимости в локализованных областях. По мере увеличения давления эти сверхпроводящие области охватывали большие части породы. Они также обнаружили, что сверхпроводимость снижается из-за напряжения сдвига.
До сих пор неравномерность результатов в никелатах объяснялась рядом причин, таких как неоднородности в химии и структуре. Новое исследование показывает, что один образец на самом деле следует рассматривать как совокупность участков микронного масштаба, которые ведут себя по-разному.
Эти идеи могут помочь разработать более эффективные материалы — небольшой шаг к конечной цели — созданию сверхпроводников, работающих при температуре и давлении окружающей среды.
Лауманн, часто сотрудничающий с группой Яо, сказал, что новые инструменты позволят исследователям «лучше обнюхивать окрестности» и более глубоко исследовать свойства различных типов сверхпроводящих материалов, обнаруженных к настоящему времени.
«Это как если в лесу упадет дерево, и никто этого не услышит, издаст ли оно звук?» – сказал Лауманн. “Если рядом нет никого, кто мог бы вам сказать, это просто не то, что вы можете увидеть или обсудить. Тот факт, что теперь мы можем проводить эти локальные измерения, открывает совершенно новый ряд вопросов”.
По теме
