высокотемпературная сверхпроводимость

Старые карты сокровищ рисовали по слухам: кто-то нашёл золото у реки, кто-то в горах, и каждый копал в своём месте. С высокотемпературными сверхпроводниками вышло похоже: купраты нашли в одних соединениях, пниктиды железа в других, никелаты в третьих, а общей карты не было.

Металл из пяти разных атомов — как суп, в котором плавают кусочки моркови, гороха, картофеля, лука и мяса. Каждый кусочек — свой элемент: хром, ванадий, титан, ниобий и тантал. Такой сплав называют высокоэнтропийным: в нём нет единого кристаллического порядка, атомы перемешаны почти случайно.

Внутри алмазной наковальни, сжимающей образец с силой, в миллионы раз превышающей атмосферное давление, тонкая плёнка лантана встречается с водородом. Водород поступает из аммиак-борана — порошка, который при нагреве отдаёт свой водород, как губка отдаёт воду.

Сверхпроводник — это материал, в котором электричество течёт без потерь, как вода по идеально гладкой трубе. Но если его слегка сжать, как пружину, свойства меняются. Учёные давно хотели измерить, сколько тепла поглощает такой сжатый материал, но приборы не помещались в тесную установку. Теперь они придумали способ обойти это препятствие.

Обычный проводник при прохождении тока нагревается — часть энергии рассеивается в виде тепла. Сверхпроводник лишён этого недостатка: электрический ток течёт по нему без потерь, как вода по идеально гладкой трубе.

Микросхема размером с ноготь выделяет столько же тепла, сколько маленькая лампочка. Отвести это тепло — всё равно что вычерпать чайной ложкой горячий чай из стакана: материал-изолятор вокруг транзисторов обычно плохо проводит тепло.

Тончайшую плёнку — тоньше человеческого волоса — из никелата лантана-стронция (La₀.₈Sr₀.₂NiO₂) поместили между алмазными наковальнями и начали сжимать.

Многие материалы ведут себя как капризный лёд: при одном давлении плавятся, при другом — становятся твёрже. Сверхпроводники семейства купратов — не исключение. Их способность проводить ток без потерь зависит от того, насколько сильно сжата кристаллическая решётка. В новой работе физики проследили эту зависимость для соединения Bi-2223.

Спинтроника сулит передавать информацию не зарядом, а спином, избавляя микроэлектронику от главного врага — джоулева нагрева.

Сверхпроводимость и магнитное поле — извечные противники: поле врывается вихрем, разрывая нежное спаривание куперовских пар, уничтожая порядок. Но в материалах с сильными электронными корреляциями, где частицы словно танцуют сложный менуэт притяжения и отталкивания, вражда порой перерождается в союз. Именно это происходит в кристалле уранового дителлурида UTe2.

Семейство никелатов — слоистые кристаллы, похожие на стопку блинов: слои никеля и кислорода чередуются с прослойками лантана. Два года назад в них обнаружили сверхпроводимость — способность проводить ток без сопротивления при охлаждении. Но данные разных лабораторий разнились так, будто каждый измерял свой материал.

Тонкая магнитная плёнка похожа на строй солдатиков с крошечными магнитными стрелками. В плоском мире тепловые толчки быстро сбивают этот строй — малейший нагрев разрушает порядок. Так работает запрет Мермина–Вагнера: в двух измерениях непрерывная симметрия не выживает при конечной температуре.

Гончар острым резцом наносит узор на ещё сырую глиняную плитку. Одно неверное движение — и линия расплывается, а плитка трескается. Примерно так же физики работают с плёнками высокотемпературного сверхпроводника YBCO (соединение иттрия, бария, меди и кислорода). Только резец у них — тончайший пучок ионов гелия, а плитка — слой керамики толщиной в сотни атомов.

Сверхпроводники — материалы, способные проводить электрический ток без диссипативных потерь, — традиционно требуют экстремального охлаждения. Однако соединение Hg1223, состоящее из ртути, бария, кальция, меди и кислорода, бросает вызов этой закономерности: его электрическое сопротивление обращается в нуль уже при –139 °C.

Бутерброд, где вместо хлеба — слои оксида меди, а между ними — тонкая прослойка ионов стронция. Это и есть бесконечнослойный купрат, самый простой вариант сверхпроводящей керамики, придуманный почти 40 лет назад. В нём есть всё необходимое для сверхпроводимости: ровные квадратные сетки из меди и кислорода, разделённые атомами-распорками.

В знакомых нам металлах вроде меди электроны движутся почти независимо — как автомобили на свободной трассе. Сопротивление возникает из-за редких столкновений, и его можно описать простыми формулами.

Магнитное поле проникает в сверхпроводник не сплошным потоком, а тонкими нитями — вихрями. Обычно они отталкиваются и выстраиваются в ровную треугольную решётку, как поплавки на воде. Но в CaSb₂ всё пошло иначе: вихри сбились в тесные кучи, а между ними — почти пусто. Каждый вихрь — это крошечная трубка, где сверхпроводимость разрушена, а внутри течёт незатухающий ток.

Переполненный автобус, где каждый пассажир — электрон. В сверхпроводнике пассажиры объединяются в пары и движутся слаженно, без потерь энергии. Но в высокотемпературных сверхпроводниках, таких как купраты, эта идиллия работает только при добавлении лишних пассажиров. Если же кого-то высадить, пары начинают вести себя странно.

Медный кристалл сжимают в алмазных тисках. Давление растёт, и внутри материала разворачивается борьба двух состояний: одно готовит электроны к сверхпроводимости, другое, наоборот, мешает им объединяться. Учёные следили за этой борьбой с помощью сверхкоротких лазерных вспышек.

Обычный транзистор в телефоне создают в вакуумной камере, где атомы осаждаются слой за слоем. Дорого и долго. Но оксид индия можно напечатать как чернила — из капли жидкого металла, которая на воздухе сама покрывается тонкой оксидной плёнкой. Авторы взяли индий, расплавили его и прокатали по подложке при 250 градусах.

Сверхпроводимость — это когда электрический ток течет без потерь, как вода по идеально гладкой трубе. Обычно она возникает при очень низких температурах, но есть материалы, где она появляется при более высоких.

В кастрюле с кипящей водой пузырьки пара рождаются и лопаются, но сама вода остаётся жидкостью. Похожее происходит в ультрахолодном атомном газе: атомы постоянно образуют пары и снова разлетаются, хотя сверхтекучесть ещё не наступила. Из-за этого в спектре частиц появляется «мёртвая зона» — псевдощель, где энергия не может принимать определённые значения.

Тонкая проволока из нового материала проводит электричество без потерь, если её остудить до трёх градусов выше абсолютного нуля. Это как вода, которая течёт по трубе, не встречая трения о стенки. Материал называется PtPb3Bi, и его особенность — внутреннее устройство, похожее на пучок нитей: электроны свободно бегут вдоль нити, но с трудом перескакивают между нитями.

В кристаллической решётке электроны иногда ведут себя подобно толпе на стадионе, порождающей «волну»: области с повышенной плотностью заряда чередуются с почти пустыми зонами. Эта волна, известная как волна зарядовой плотности, блокирует свободное движение носителей — при обычных условиях материал не является сверхпроводником.

Ниобий — металл, который при охлаждении до нескольких градусов выше абсолютного нуля проводит ток без сопротивления. В лабораториях его наносят тонкими дорожками на подложку, как крем на торт. Но в процессе нанесения из специальной маски в металл проникает кислород, и он портит сверхпроводящие свойства.

Тонкая, как паутинка, плёнка из пяти металлов приняла удар лазера. Внутри неё давление подскочило до 55 гигапаскалей — это как если бы на ноготь поставили сто слонов. Сплав выдержал и на долю наносекунды сжался, но не сломался. Один гигапаскаль — это тысяча мегапаскалей.

Сверхпроводящие схемы часто строят на переходах Джозефсона — местах, где ток течёт без сопротивления через тонкий барьер. Обычно таким барьером служит слой оксида, но его свойства трудно контролировать на наноуровне. В новой работе барьером становится тонкий слой нитрида ниобия или титана, зажатый между слоями ниобия.

Кусочек теллурида серебра-сурьмы похож на губку: он легко впитывает тепло и превращает его в электричество. Такие материалы называют термоэлектриками, и они уже работают в космических зондах и автомобильных холодильниках. Но если сжать эту губку, она начинает вести себя как сверхпроводник — ток течёт без малейшего сопротивления.

Лёд ускользает из-под конька, как кусок мыла в мокрых руках. Сто лет учёные спорили, откуда берётся эта скользкость. Одни говорили: сверху уже есть тонкий слой воды — он и служит смазкой. Другие возражали: вода появляется только когда начинаешь двигаться, от трения. В новом исследовании физики соединили оба подхода — и выяснили, кто прав.

Сверхпроводимость — это способность материала проводить электричество без потерь. Обычные провода греются, и часть энергии уходит в тепло, а сверхпроводник пропускает ток без сопротивления. Но до сих пор такое состояние удавалось получить лишь при очень низких температурах или под огромным давлением, что мешает применять его в быту.

Микросхемы внутри смартфонов и компьютеров становятся всё плотнее: миллиарды транзисторов упакованы на кусочке кремния размером с ноготь. При работе они выделяют тепло, как крошечные печки. Если тепло не отводить, чип перегревается, начинает сбоить или выходит из строя. Инженеры ищут материалы, которые можно нанести поверх схемы тонким слоем, чтобы отводить тепло, не мешая электрическим сигналам.

Вода в кастрюле при нагреве не закипает, а превращается в лёд. Примерно так ведут себя ультрахолодные атомы в оптической решётке — световой кристаллической сетке, удерживающей атомы на местах. Учёные смоделировали эту систему на компьютере, чтобы понять, как меняется порядок при повышении температуры.

Обычный проводник пропускает ток одинаково в обе стороны, как дверь, которая открывается и внутрь, и наружу. А диод — это дверь с доводчиком: в одну сторону она распахивается легко, а в другую упирается.

Металлический брусок из пяти разных металлов — гафния, ниобия, скандия, титана и циркония — лежит в печи. После нагрева до 600 градусов внутри него появляются участки, похожие на узор из двух перемешанных металлов, как мраморные прожилки. Именно эти участки заставляют весь сплав проводить электрический ток без потерь при очень низкой температуре — около минус 263 градусов по Цельсию.

Металлический сплав похож на коктейль: смешали несколько элементов — и получили материал с новыми свойствами. Но если бармен пробует напиток на вкус, то инженерам нужно заранее знать, как сплав поведёт себя в работе. Например, выдержит ли он высокую температуру и не потеряет ли способность проводить ток.

Внутри топливного элемента протоны должны быстро бежать сквозь твёрдый материал, как пассажиры сквозь турникеты в час пик. Если турникеты редкие и узкие — ток слабый. Раньше, чтобы найти материал с хорошей протонной проводимостью, химики перебирали соединения почти вслепую, по одному.

Обычный провод греется, когда по нему идёт ток. Сверхпроводник — нет. Но почти все известные сверхпроводники работают либо при очень низкой температуре, либо под огромным давлением, как в недрах планет. Учёные давно ищут материал, который обходится без этих крайностей. В новой работе взяли соединение лития, меди и водорода — Li3CuH4.

Электроника греется. Чем мощнее процессор, тем больше тепла нужно отвести, иначе он выйдет из строя. Одно из узких мест — граница между двумя материалами: тепло натыкается на неё, как на шов между плитками, и замедляется. Учёные сделали стык между нитридом алюминия и карбидом кремния почти идеально ровным, без единого зазора. Тепло через него проходит почти без потерь.

Рентгеновский фотон влетает в датчик, как камешек в спокойную воду. Вода — это тонкая плёнка из алюминия и марганца, охлаждённая почти до абсолютного нуля. От удара по плёнке расходится волна тепла, и по её высоте можно понять, сколько энергии принёс фотон.

В кристаллической решётке селенида железа атомы железа и селена чередуются, как кирпичи в кладке. Но иногда в пустоты между ними забираются лишние атомы железа — как непрошеные гости, которые втискиваются в щели между кирпичами. Всего 3% таких «гостей» — и сверхпроводимость исчезает: материал перестаёт проводить ток без сопротивления.