Ученые придумали, как заставить ток течь без потерь — даже в тепле

Исследование опубликовано в журнале Physical Review B. Сверхпроводимость — это состояние, при котором электрический ток течет через материал без потерь энергии. В обычных проводниках часть энергии уходит в тепло, а в сверхпроводниках этого не происходит: ток движется свободно и не ослабевает. Их уже применяют, например, в аппаратах МРТ, где сверхпроводящие катушки используют для создания магнитных полей. В будущем их также могут внедрять в системы, где важна передача энергии без потерь и быстрая обработка сигналов. Сложность в том, что почти все сверхпроводники работают только при температурах ниже −140 °C, что ограничивает их применение на практике. И чтобы сделать сверхпроводники стабильнее, физики ищут способы повысить их рабочую температуру.

Исследователи из Центра квантовых метаматериалов МИЭМ ВШЭ совместно с коллегами из МИФИ, МФТИ и Федерального университета штата Пернамбуку (Бразилия) показали, что сверхпроводимость можно сделать устойчивее, если управлять расположением дефектов. Дефекты — это отклонения от идеальной кристаллической решетки материала: лишние или пропущенные атомы, примеси, искажения. Обычно они мешают движению электронов и ослабляют сверхпроводимость, но избавиться от них полностью невозможно, особенно в многокомпонентных материалах. Ученые предложили не устранять их, а выстраивать по закономерности. Такое распределение дефектов называется коррелированным беспорядком.

«Представьте толпу людей, хаотично движущихся в разные стороны, — это классический беспорядок. А теперь вообразите, что те же люди двигаются по сложной, но скоординированной схеме, как в массовом танце, — так выглядит коррелированный хаос, — рассказывает профессор Московского института электроники и математики имени А. Н. Тихонова Алексей Вагов. — Оказалось, что в сверхпроводниках такой беспорядок приводит к тому, что дефекты начинают способствовать сверхпроводимости».

Обычно в материалах с дефектами сверхпроводимость возникает в два этапа. Сначала появляются локальные участки, где сверхпроводимость только зарождается, а затем, при понижении температуры, эти участки соединяются, и ток может течь через весь образец. Ученые смоделировали двумерный сверхпроводник с разным распределением дефектов — от случайного до коррелированного, где примеси связаны друг с другом. Результаты показали, что, если беспорядок в материале не хаотичный, а упорядоченный, переход происходит сразу: сверхпроводимость возникает по всей системе одновременно.

Ученые считают, что данные будут полезны при разработке тонких сверхпроводящих пленок, структура которых во многом похожа на ту, что использовалась в модели. При синтезе таких пленок можно заранее задать, где именно будут находиться дефекты, — это удобно и для проверки теории, и для того, чтобы создавать материалы с заданными свойствами.

«Управление расположением дефектов на микроскопическом уровне может помочь создавать сверхпроводники, работающие при гораздо более высоких температурах — возможно, даже при комнатной. Тогда сверхпроводимость перестанет быть редкостью из лабораторий и сможет применяться в обычных устройствах», — комментирует Алексей Вагов.

Работа выполнена при поддержке гранта Минобрнауки и Программы фундаментальных исследований НИУ ВШЭ в рамках проекта «Центры превосходства».

НИУ ВШЭ

426 статей

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».

Показать больше

Закладка

Скопировать ссылку

Email

Печать

Twitter

VK

Telegram