Физики нашли способ повысить температуру сверхпроводимости

❋ 4.5

Команда исследователей с участием сотрудников МИЭМ ВШЭ показала, что дефекты в материале могут не снижать, а, наоборот, усиливать сверхпроводимость. Это возможно благодаря взаимодействию дефектных и более чистых областей, которое образует «квантовый клей» — однородную компоненту, связывающую разрозненные сверхпроводящие участки в единую сеть. Расчеты подтвердили, что такой механизм может помочь в создании сверхпроводников, работающих при более высоких температурах.

НИУ ВШЭ

# дефекты

# кванты

# материалы

# сверхпроводимость

# сверхпроводники

# температура

Фрагментация сверхпроводимости и ее восстановление. На изображении слева (b) видно, как в зоне с сильным беспорядком сверхпроводимость возникает отдельными островками, не образующими сплошной ток. На изображении справа (c) показано, что благодаря взаимодействию с чистой зоной эти островки соединяются в единую сеть, восстанавливая глобальную сверхпроводимость / © Neverov, V.D. et al., Communications Physics

Исследование опубликовано в журнале Communications Physics. Сверхпроводимость — это состояние, при котором электрический ток проходит через материал без сопротивления и не теряет энергию в виде тепла. В обычных проводниках электроны движутся по отдельности и теряют часть энергии на столкновениях с атомами и примесями. В сверхпроводниках же электроны объединяются в куперовские пары и начинают двигаться согласованно, что позволяет току течь без потерь. Благодаря этому свойству сверхпроводники могут использоваться для создания мощных магнитов, медицинских томографов и ускорителей частиц, а также для разработки новых типов вычислительных устройств.

Проблема в том, что сверхпроводимость обычно возникает только при низких температурах и легко разрушается из-за примесей и дефектов в материале. Они дробят сверхпроводимость на отдельные островки, которые не соединяются между собой. Однако именно в таких областях куперовские пары могут формироваться при более высокой температуре. Возникает противоречие: беспорядок в структуре материала способен усиливать сверхпроводимость локально, но мешает ей проявиться во всем образце.

Команда исследователей из НИУ ВШЭ, Московского центра перспективных исследований и Университета Пернамбуку показала, что проблему можно решить, если объединить дефектную (грязную) и чистую подсистемы. Они исследовали двухзонную модель, где одна подсистема сильно неупорядоченна и в ней сверхпроводимость возникает при более высокой температуре, но на отдельных участках, а другая остается чистой: сверхпроводимость в ней слабее, зато обеспечивает связность. При их объединении появляется компонента, действующая как «квантовый клей»: она связывает изолированные островки и позволяет току проходить через весь образец при повышенной температуре.

«Наши расчеты показывают, что при правильном соединении дефектных и чистых областей материал получает и высокую температуру сверхпроводимости, и способность пропускать ток без сопротивления. Обычно беспорядок разрушает этот эффект, но мы увидели обратное: дефекты могут стать ресурсом, который помогает создавать более устойчивые и высокотемпературные сверхпроводники», — поясняет один из авторов исследования, профессор МИЭМ ВШЭ Алексей Вагов.

Расчеты подтвердили, что подход работает при разных типах беспорядка — от случайных примесей до специально созданных сверхрешеток. Наибольший интерес он представляет для многослойных материалов, где можно чередовать чистые и грязные слои, для соединений на основе магния и бора (MgB₂), в которых одна электронная зона усиливает локальную сверхпроводимость, а другая обеспечивает прохождение тока, а также для веществ с плоскими электронными зонами, где электронам проще объединяться в пары. Перспективными считаются и системы на основе графена и графита, где формируются регулярные сверхструктуры, изменяющие электронные свойства и создающие условия для более сильной сверхпроводимости. В будущем это может помочь создавать материалы, в которых дефекты и примеси не мешают, а, наоборот, усиливают сверхпроводимость.

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда и Программы фундаментальных исследований НИУ ВШЭ с использованием суперкомпьютерных ресурсов университета.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.

Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики» — один из крупнейших и самых востребованных вузов России. В университете учится 54 тысячи студентов и работает почти 4,5 тысячи учёных и преподавателей. НИУ ВШЭ ведёт фундаментальные и прикладные исследования в области социально-экономических, гуманитарных, юридических, инженерных, компьютерных, физико-математических наук, а также креативных индустрий. В университете действуют 47 центров превосходства, или международных лабораторий. Вышка объединяет ведущих мировых исследователей в области изучения мозга, нейротехнологий, биоинформатики и искусственного интеллекта. Университет входит в первую группу программы «Приоритет-2030» в направлении «Исследовательское лидерство». Кампусы НИУ ВШЭ расположены в четырех городах — Москве, Санкт-Петербурге, Нижнем Новгороде и Перми, а также в цифровом пространстве — «Вышка Онлайн».