Передавать электричество практически без сопротивления в обычных условиях физики мечтают уже почти полвека.
Авторы исследования профессор Найджел Хасси (Nigel Hussey) и доктор Кейтлин Даффи (Caitlin Duffy) рядом с криогенным сосудом с мощным магнитом — частью инфраструктуры Европейской лаборатории сильных магнитных полей (EMFL). Фото: Sven Badoux
Заманчивые возможности могут скрываться в керамике на основе оксидов меди — купратах. Но чтобы их реализовать, сначала нужно понять, как сверхпроводимость возникает при относительно высоких температурах.
Теперь группа исследователей под руководством канадского Национального института научных исследований (INRS) нашла доказательства скрытого соперничества двух квантовых состояний, которое может помочь объяснить, как работают эти удивительные материалы.
Открытие предполагает, что загадочное явление под названием псевдощель может не способствовать сверхпроводимости, как считают некоторые теории. Вместо этого два состояния, по-видимому, борются за контроль над электронами материала.
Эта находка может приблизить нас к пониманию одной из величайших загадок современной физики и, возможно, однажды помочь инженерам создавать сверхпроводники, не требующие сложных систем охлаждения.
Зачем нужна сверхпроводимость
Сверхпроводимость относится к электрической мощности примерно как пустые дороги и зелёные светофоры — к утренней поездке на работу. Когда электроны проталкиваются через «пробку» колеблющихся электромагнитных полей в медном проводе, часть их энергии уходит в виде тепла.
Электроны в сверхпроводнике скользят без сопротивления и сохраняют гораздо больше энергии. Хитрость в том, чтобы убедить электроны отказаться от индивидуальности и образовать квантовые партнёрства, известные как куперовские пары. Действуя вместе в размытом состоянии, эти электронные «близнецы» не страдают от препятствий, которые мешают их одиночным собратьям.
Преимущества огромны: сверхмощные магниты в медицинской томографии и экспериментах по физике элементарных частиц; более быстрые схемы, которые не перегреваются; потенциал для удержания плазмы в термоядерном синтезе.
К сожалению, чтобы электроны так сотрудничали, нужны особые материалы и довольно холодные условия. Для обычных сверхпроводников температура должна падать почти до абсолютного нуля.
Прокачка безумно холодных жидкостей вокруг сверхпроводников — решение для таких технологий, как магнитно-резонансная томография (МРТ), но если мы хотим получить все преимущества токов без сопротивления, нужно найти что-то, способное выдерживать тепло.
Купраты и загадка псевдощели
В 1986 году физики Йоханнес Георг Беднорц и Карл Александер Мюллер открыли семейство материалов на основе оксида меди, в которых сверхпроводимость достигалась при заметно менее холодных температурах. Это показало, что идея по крайней мере осуществима, и дало подсказки на пути к сверхпроводимости при более высоких температурах.
Спустя четыре десятилетия физики по-прежнему не до конца уверены, почему электроны в этих материалах ведут себя так иначе. Одна из подсказок — странное квантовое состояние под названием псевдощель.
«Псевдощель — одна из величайших загадок физики конденсированного состояния, — говорит физик INRS и старший автор работы Фабио Бошини (Fabio Boschini). — Понять, как она взаимодействует со сверхпроводимостью, необходимо, если мы хотим объяснить, почему эти материалы могут проводить электричество без потерь энергии при необычно высоких температурах».
Проводимость во многом определяется усилием, необходимым для перемещения электрона в системе, а оно, в свою очередь, зависит от энергии, нужной электрону, чтобы занять место в материале. При определённых условиях некоторые уровни энергии могут оказаться запрещёнными, создавая «щель», через которую электроны не могут пройти.
Псевдощель не столь строга: она оставляет электронам некоторое пространство для манёвра. Что именно это значит для сверхпроводимости, остаётся предметом споров. Одни физики подозревают, что псевдощель создаёт пространство, где электроны могут объединяться в сверхпроводящие пары. Другие утверждают, что это соперничающее состояние, мешающее процессу.
Чтобы выяснить, какое объяснение верно, Бошини и его коллеги с помощью лазера временно подавили сверхпроводимость в кристалле оксида меди, пока материал оставался относительно холодным. Затем с помощью одной из форм спектроскопии команда отслеживала изменения энергий электронов на масштабе триллионных долей секунды.
Они обнаружили квантовое перетягивание каната. Когда лазерные импульсы подавляли сверхпроводимость, в спектре уровней энергии возникал дисбаланс, выглядевший в точности как псевдощель. С возвращением сверхпроводимости асимметрия исчезала.
Любопытно, что признак, похожий на псевдощель, появлялся даже тогда, когда электроны остывали ниже температуры, при которой материал обычно становится сверхпроводящим. Это говорит о том, что он не был следствием нагрева. Скорее, кратковременное отсутствие сверхпроводимости позволяло псевдощели проявиться.
Исследователи также нашли признаки того, что черты обоих состояний могут ненадолго сосуществовать. Это означает, что их отношения сложнее простой борьбы по принципу «победитель получает всё».
Что ещё неизвестно
Значит, следующий шаг — построить машину для сверхпроводимости при комнатной температуре, да?
К сожалению, результаты не решают вопрос о том, что вызывает псевдощель, и не объясняют, как купраты достигают необычно высоких температур сверхпроводимости.
Другие недавние исследования показывают, насколько сложным может быть этот процесс. Международная группа исследователей под руководством физиков из Университета Радбауда в Нидерландах и Бристольского университета в Великобритании выяснила, как «гул» электронов в решётке купрата способствует сверхпроводимости, и тем самым показала, какой большой части картины нам всё ещё не хватает.
При достаточно низких температурах куперовские пары возникают как следствие ряби, проходящей по кристаллической решётке. Если подобрать нужный момент, эти волны могут сближать электроны сильнее, чем позволяет их обычное электростатическое отталкивание, давая им «вступить в брак».
Нечто похожее должно происходить и в виртуальной буре при более высоких температурах. Наиболее вероятные кандидаты, видимо, связаны с самими электронами, которые колеблются туда и обратно под влиянием заряда и спина.
Исследователи вытравили электрические контакты на плёнке оксида меди с лантаном и церием, наслоённой так, чтобы получить плавный градиент температуры. Это позволило провести серию экспериментов, выявивших сверхпроводимость при разных значениях температуры и напряжённости магнитного поля при добавлении электронов.
Результаты дали достаточно доказательств того, что взаимодействия между приходящими электронами и флуктуирующим спином электронов в материале действительно играют решающую роль в создании волн, необходимых при более высоких температурах.
Следующая остановка — страна сверхпроводимости, да?
Но у этой истории есть продолжение. Места, где могут находиться электроны, — так называемые дырки — тоже могут индуцировать сверхпроводимость при не слишком низких температурах, только немного иным способом.
«Хотя купраты с электронным и дырочным легированием сделаны из одной ткани, сшиты они по разным выкройкам», — говорит соруководитель работы Найджел Хасси (Nigel Hussey), физик из Бристольского университета.
Поскольку именно дырки — главное в игре за высокотемпературную сверхпроводимость, важно понять, как она работает. Это, будем надеяться, покажут будущие эксперименты.
Сверхпроводимость при практических температурах — явно сложное дело. И всё же ясно, что прогресс есть. Если мы надеемся построить электрические системы, которые почти ничего не теряют и при этом не требуют морозильника размером с небольшое здание, нужно заполнить все пробелы — как псевдо-, так и электронные.
Обе работы опубликованы в журнале Nature Physics. Источники: EurekAlert и Simons Foundation.
