Монокристаллы превратили в «интерфейсный» сверхпроводник

Сверхпроводники — материалы (обычно медь- и железосодержащие) с нулевым электрическим сопротивлением. В существующих приложениях, например магнитно-резонансной томографии (МРТ) и маглевах, сверхпроводимость достигается путем охлаждения сплава до примерно -269 градусов Цельсия и его обработки под высоким давлением. Такая технология является дорогой и энергоемкой, что ограничивает коммерческое распространение сверхпроводников. Поэтому ученые ищут способы приблизить критические температуры (T_cs) сверхпроводников к комнатной, а давление — к атмосферному.

Один из способов заключается в том, чтобы искусственно создать сверхпроводимость на границе раздела, или интерфейсе, несверхпроводящего регулярного материала. Эта модель была предложена еще в 1973 году, но до сих пор не подтверждена экспериментально. Индуцировать сверхпроводимость на границе раздела удавалось только в системах из двух различных несверхпроводящих, двух сверхпроводящих или одного сверхпроводящего и одного несверхпроводящего материала.

В своем эксперименте ученые из Хьюстонского университета использовали арсенид железа кальция (CaFe₂As₂ (Ca122)) с кристаллической структурой типа ThCr₂Si₂. Прежние работы показали, что монокристаллы Ca122 могут стать сверхпроводящими при -224 градусах Цельсия и атмосферном давлении в результате допирования — частичного замещения кальция на редкоземельные элементы, например лантан или празеодим. Предполагалось, что сверхпроводимость в этом случае — именно результат спонтанно возникающих границ раздела. Для проверки гипотезы авторы помещали недопированные монокристаллы CaFe₂As₂ в кварцевую ампулу и подвергали их отжигу при температуре 350 градусов Цельсия. Спустя 7,5, 11, 14,5, 18, 28 и 50 часов они изучали структуру, магнитную восприимчивость и удельное сопротивление материала.

Результаты показали, что сверхпроводимость возникает в определенном временном интервале — между четырьмя и 16 часами с пиком через 7,5 часа. При этом она стала результатом встречи двух различных (несверхпроводящих) фаз: немагнитной металлической (cT) и антиферромагнитной (O) между фазовыми переходами (PI, PII). Динамика показателей коррелировала с критической температурой (около -248 градусов Цельсия). По словам ученых, полученные данные являются прямым доказательством сверхпроводимости, возникающей в результате пересечения фаз в Ca122, и гипотезы о границе раздела в целом.

Следующим шагом станет улучшение границы разделов других высокотемпературных сверхпроводников, отметили авторы. Возможность адаптировать такие материалы к нормальным средовым условиям позволит снизить стоимость технологии. Помимо медицины и транспорта, высокотемпературные сверхпроводники также могут использоваться для более эффективного электроснабжения жилого фонда, поскольку не теряют электроэнергию при передаче.