сверхпроводимость никелатов

Представьте себе кочергу, которую сунули в топку доменной печи. Обычная сталь размягчится и провиснет за минуты. Жаропрочные никелевые сплавы, из которых делают лопатки реактивных двигателей, работают до 1300 °C, но дальше и они сдаются. А теперь взгляните на новый сплав на основе ниобия: при 1500 °C он сохраняет прочность, сравнимую с холодным алюминием.

Тонкая плёнка нитрида циркония лежит на подложке из оксида магния. Толщина — две десятых микрона, как у паутинки, но внутри кипит квантовая жизнь. При охлаждении до полукельвина сверхпроводимость в ней не исчезает сразу: она распадается на редкие островки, которые ещё держатся среди беспорядка.

В архивах химии хранились записи о веществах, которые долгое время не считались примечательными. Однако среди них скрывались двумерные материалы — кристаллические слои толщиной всего в один атом, обладающие высокой прочностью и необычными электронными свойствами.

Крошечный бутерброд из оксидов, выращенный слой за слоем, становится идеально проводящим при температуре около минус 200 градусов Цельсия. Это не фокус, а новая глава в поиске высокотемпературных сверхпроводников.

Космический детектив начался с тихой вспышки в оптическом диапазоне. Объект AT2019wzc медленно разгорался и угасал, как тлеющий уголёк. Но внутри него пряталось нечто более энергичное — повторяющиеся всплески мягкого рентгена, которые астрономы называют квазипериодическими извержениями — короткими, но регулярными выбросами высокоэнергетического излучения.

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

Слоистый кристалл La₃Ni₂O₇ под давлением ведёт себя как оркестр, где дирижёр меняет громкость разных групп инструментов. При сжатии растёт перескок электронов между слоями — казалось бы, это должно усиливать сверхпроводимость — состояние, при котором электрический ток течёт без сопротивления.

Тонкая, как мыльная плёнка, пластинка керамики — и в ней течёт ток без малейшего сопротивления. Так выглядит сверхпроводимость, которую удалось получить в никелатах — родственниках знаменитых купратных сверхпроводников. Обычно для этого требовалось гигантское давление, сравнимое с давлением на дне океана.

Ток без потерь — давняя мечта энергетики. Некоторые материалы становятся сверхпроводниками, но обычно лишь при экстремальном холоде. Недавно в семействе никелатов — соединений на основе никеля — обнаружили кандидатов, которые работают при более высоких температурах.

Слоёный пирог, в котором каждый корж проводит электричество по-своему — так устроен кристалл La3Ni2O7, соединение никеля, лантана и кислорода. Ток вдоль слоёв идёт иначе, чем поперёк. Исследователи измерили сопротивление этого материала с высокой точностью, сжимая его алмазными наковальнями до давлений в десятки тысяч атмосфер.

Кусок металла охлаждают до минус двухсот градусов, и электрический ток начинает бежать по нему без малейшего трения — как если бы вода в трубе текла, не касаясь стенок. Такое поведение называют сверхпроводимостью.

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.

В мутной грязи, между двумя электродами, выстраиваются длинные цепочки бактерий — тонкие, как микроскопический кабель. Каждая такая нить проводит ток на целый сантиметр, для микроба это настоящий марафон. Секрет в волокнах, вшитых прямо в оболочку клеток: по ним электричество бежит почти без потерь, как по медной жиле.

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.

Мост из двух рядов досок прогибается под ногами пешеходов — и каждый шаг получает помощь от упругого движения настила. Похожий принцип лежит в основе сверхпроводимости: электроны скользят без сопротивления, потому что атомная решётка сама подстраивается под них. В материалах на основе никеля эта картина долго не складывалась.

Переполненный стадион: болельщики мечутся хаотично, создавая толчею и сопротивление. Так ведут себя электроны в обычном проводнике. При сверхпроводимости они объединяются в пары и движутся синхронно — как зрители, взявшиеся за руки и спокойно покидающие трибуны, без потерь энергии.

Кристалл La3Ni2O7 похож на слоёный пирог, где начинка из атомов никеля и кислорода чередуется с прослойками лантана. При обычном давлении он не проводит ток без сопротивления, но стоит его сжать или вырастить в виде тонкой плёнки — появляется высокотемпературная сверхпроводимость.

Два тонких, как бумага, листа полупроводника накладывают друг на друга и слегка поворачивают — градуса на три-четыре. Атомные решётки не совпадают, и возникает крупный узор — муар, похожий на рябь от двух стиральных досок, сдвинутых на малый угол. В этом узоре электроны движутся совсем не так, как в обычном кристалле.

Слоёный пирог из атомных плоскостей никеля и кислорода — так устроены двуслойные никелаты. В них две такие плоскости разделены прослойкой. Если в этой прослойке сидит атом кислорода, он работает как мостик: связывает слои и запускает состояние, в котором электроны движутся без сопротивления.

Кристалл — как город: если улицы кривые, движение застревает. В кристалле роль улиц играют атомные ряды, а движение — это поток электронов. Малейшая неровность, примесь или смещение атома заставляет электроны рассеиваться. Учёные из нескольких лабораторий научились выращивать кристаллы так, что «улицы» стали почти идеально прямыми. Метод называется горизонтальный перенос вещества.

Обычный кухонный нож из ниобия при −258 °C вдруг начинает проводить ток без малейших потерь. Так работает сверхпроводимость, и её можно «включить» прямо на поверхности металла, если обстрелять её лазером в атмосфере азота.

Сверхпроводник — это материал, который при сильном охлаждении теряет электрическое сопротивление: ток по нему течет без потерь. Ученые взяли слоистый кристалл PdTe2, похожий на стопку листов бумаги, и охладили его до температуры ниже 1,8 кельвина (это примерно -271°C). В таких условиях PdTe2 становится сверхпроводящим.

Поваренная соль на кухне делает еду вкуснее, а в лаборатории — помогает растить кристаллы толщиной в несколько атомов. Учёные взяли селенид олова и с помощью соли вырастили из него тончайшие пластинки — настолько тонкие, что их называют двумерными. Соль выступила как разделитель: она не давала пластинкам слипаться и заставила их ровно лечь на подложку, как блинчики на сковороде.

Внутри медных сверхпроводников — материалов, которые проводят ток без потерь при неожиданно высоких температурах — есть скрытая фаза. Она ведёт себя как обычный металл, но её не видно в стандартных измерениях.

Электрический ток в сверхпроводнике похож на толпу, бегущую по коридору без трения. Но в сверхпроводниках второго рода есть препятствия — крошечные вихри магнитного поля, которые ток сдвигает с места. Сдвинулся вихрь — появилось сопротивление, и ток падает.

Сверхпроводник — это материал, который при сильном охлаждении проводит ток без потерь, как вода течёт по идеально гладкой трубе. Но если ударить по нему короткой вспышкой света, он быстро теряет это свойство. В новом опыте учёные освещали тонкую плёнку нитрида ниобия и замеряли, за сколько миллиардных долей секунды исчезает сверхпроводимость.

Тонкая плёнка из ниобия и олова проводит ток без сопротивления, пока её не сделать совсем уж тонкой. Тогда она внезапно становится изолятором. Группа физиков проверила, что будет, если в плёнку добавить чуть больше олова, чем нужно по формуле.

Квантовый компьютер похож на музыкальный инструмент: даже крошечная царапина на струне портит звук. Вместо струн — сверхпроводящие резонаторы, тонкие дорожки из нитрида титана на кремниевой пластине. Они должны хранить квантовую информацию, но любая неровность или лишний атом на поверхности забирает энергию, как трещина в колоколе гасит звон.

Слоистый материал (SnS)1.15(TaS2) напоминает стопку бумаги, где листы проводят ток, а между ними — прослойки, которые мешают слоям слипаться. При обычном давлении этот материал проводит ток без сопротивления, то есть является сверхпроводником.

Взвешивая кусок льда в стакане воды, можно понять, сколько воды уже замёрзло. Если весы ошибаются в три раза, льда покажется намного больше, чем есть на самом деле. Похожая история случилась с расчётами сверхпроводящей фазы в кристалле из никеля, лантана и самария под высоким давлением.

Весы с неверной калибровкой показывают больше, чем есть на самом деле, — и кусок сыра кажется тяжелее. Похожий сбой произошёл при измерении сверхпроводимости в никелатах, материалах, которые проводят ток без сопротивления при определённых условиях.

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.

Старую футболку растворили в щёлочи, получили гель — и он стал сердцем накопителя энергии. Второй компонент сделали из хитозана, вещества из панцирей креветок. Никаких металлов: только переработанный хлопок и морепродукты. Гель пропитали солью аммония, и его проводимость выросла почти вдвое: с 17,1 до 37,8 миллисименс на сантиметр.

Металл, как верёвка из множества нитей: тянешь слишком сильно — рвётся. Инженеры давно ищут способ сделать его и прочным, и гибким одновременно. Обычно добавки, повышающие прочность, делают металл хрупким. Но команда материаловедов нашла лазейку: они добавили в сплав CrMnFeCoNi немного азота — всего один атом из ста — и получили неожиданный результат.

Сверхпроводник похож на город, где электроны перестают толкаться и начинают двигаться парами, как люди, идущие рука об руку. В никелате неодима-стронция (Nd₀.₈Sr₀.₂NiO₂) этот «парад» возникает при температуре около 10 кельвинов (минус 263 градуса Цельсия), но не везде одинаково.

Электроны в металле похожи на толпу в метро: каждый сам по себе, но при малейшем толчке все разом приходят в движение. Такое коллективное колебание электронного газа физики называют плазмоном. В сверхпроводниках эти колебания особенно важны, ведь они показывают, как электроны взаимодействуют друг с другом.

Кончик иглы, которым водят по поверхности, чтобы почувствовать неровности, обзавёлся сверхчувствительным «носом» для магнитных полей. Учёные собрали на острие кантилевера — тонкой упругой балки, как в атомно-силовом микроскопе, — крошечный сверхпроводящий контур, который ловит малейшие колебания магнитного потока.

При температуре 4,3 градуса выше абсолютного нуля кристалл теллурида палладия перестает сопротивляться электрическому току. Электроны в нем объединяются в пары и движутся без потерь, как толпа, взявшаяся за руки. Но у этого сверхпроводника, похоже, не один, а два разных способа объединяться. Физики прижали к кристаллу тонкую иглу и измеряли, как ток проходит через контакт.

Измеренный дипольный момент тантала-181: 3,39 × 10⁻³² e·см — как заметить смещение на один атом в масштабе Солнечной системы. В типичном атомном ядре распределение заряда сферически симметрично, подобно идеально отцентрированному волчку.