Фізика
Фізика

Надпровідність досягла прийнятної температури за нижчого тиску

Американським фізикам вдалося «побити» свої ж торішні досягнення та знизити необхідний для надпровідності за кімнатної температури тиск. Тепер надпровідник з супергідриду ітрію проявляє свої властивості за температури -11 градусів Цельсію та за тиску, у півтора раза меншого, ніж попередні результати — 182 гігапаскалі. Результати дослідження вчені опублікували у журналі Physical Review Letters.

Сполука водню з вуглецем і сіркою між парою алмазних ковадл, надпровідність у якій вдалося досягнути за кімнатної температури — 15 градусів Цельсію. J. Adam Fenster / University of Rochester

Сполука водню з вуглецем і сіркою між парою алмазних ковадл, надпровідність у якій вдалося досягнути за кімнатної температури — 15 градусів Цельсію. J. Adam Fenster / University of Rochester

Які проблеми у надпровідності з кімнатною температурою?

Уявіть собі можливість проводити струм без опору, коли всього один кабель передасть його стільки ж, скільки зараз передають величезні ланцюги ліній електропередач. Або автобус, який відвезе вас завдяки магнітній левітації. Але щоб масово позбутися енерговтрат, надпровідникам — матеріалам, здатним до нульового опору, варто навчитися набувати таких властивостей не лише за наднизьких температур. Найперші надпровідники втрачали свої властивості вже за температури -240 градусів Цельсію. Їх ми називаємо традиційними і вже сама назва дає зрозуміти, наскільки ми були впевнені у тому, що надпровідність колись зможе «вийти в люди».

Втім, вже у 1987 році нам вдалося вперше добитися надпровідності за температури -181,15 градуса Цельсію (92 кельвіни). Так ми дізналися про високотемпературну надпровідність і високою температурою на цьому полі вважається температура, вища за -196.2 градусів Цельсію або 77 кельвінів. Але це все ще занизькі температури, не зважаючи на назву, для того, щоб нарешті замінити наші кабелі на надпровідні. Фізики майже щороку б’ють температурні рекорди, однак кімнатної температури надпровідності, понад 15 градусів Цельсія, ми досягли лише у 2020.

Чим нас не влаштовує попередній експеримент?

Попередній експеримент, як і безліч інших, де фізики досягали прийнятних температур, проводився зі з’єднаннями металів з воднем — гідридів (перші високотемпературні надпровідники відносяться до керамічних матеріалів). Однак, їхнім недоліком є необхідність використовувати надтиск у сотні гігапаскаль, в мільйони разів більший за звичний атмосферний. Так надпровідний рекорд у 15 градусів Цельсія потребував тиску більше 1,4 мільйона атмосфер. Тиск допомагає атомам настільки зміститися, що їхні електронні оболонки перекриваються й тому структура кристалічної решітки дозволяє струму текти без опору. Але саме він робить ці матеріали непридатними для повсякденного використання.

Установка для створення надвисокого тиску в лабораторії Університету Рочестера. Adam Fenster 

Установка для створення надвисокого тиску в лабораторії Університету Рочестера. Adam Fenster

Як обійтися без тиску?

Оскільки вважається, що рекордно високої температури надпровідності можна домогтися за допомогою чистого металічного водню, вчені не зупиняються на бінарних сполуках і синтезують супергідриди, де атомів водню у сполуках більше. Водень діє як «надпровідний клей», що забезпечує виникнення електрон-фононних взаємодій. Саме ці взаємодії забезпечують притягування електронів і утворення ними куперівських пар, які відповідно до теорії Бардіна-Купера-Шріфера і забезпечують надпровідні властивості. Теоретичні дослідження передбачають появу надпровідності за нижчого тиску у деяких супергідридах металів, а зокрема сполуках з ітрієм.

Ітрій цікавить фізиків, оскільки кожен його атом має три валентних електрони, які можна буде розділити вже трьома атомами водню. Моделювання показували, що супергідриди ітрію здатні показати нам надпровідність навіть за температури 26,85 градуса Цельсію. Тому у своїй новій роботі та ж команда вчених, що і знайшла спосіб підвищити температуру надпровідності до кімнатної, змогла знизити майже у півтори раза необхідний для цього тиск, об’єднавши замість вуглецю і сірки, водень з ітрієм.

Як фізики наблизили до нас надпровідність?

Щоб змусити супергідрид ітрію виявляти надпровідні властивості за критичної температури —11 градусів Цельсію під тиском 182 гігапаскалі, фізики розмістили у діамантових ковадлах газоподібний водень і зразок ітрію в твердому стані. Водень з ітрієм розділили шаром паладію, який служив каталізатором, допомагаючи переміщати атоми водню в ітрій, та запобігав його окисленню.

Так, вченим не вдалося досягти надпровідності за кімнатної температури, тому пошук подібних властивостей у супергідридах металів лишається відкритим. Однак, за їхніми словами, такий метод легування ітрію воднем дасть змогу кількісно налаштовувати такі супергідридні матеріали і таким чином навіть регулювати температуру надпровідності. Також виявилося, що спостережувана фізиками реакція є цілком пояснюваною у рамках теорії БКШ Бардіна-Купера-Шріфера, яку зазвичай не використовують для матеріалів, температура переходу яких становить менше кількох десятків кельвінів.