высокотемпературная сверхпроводимость

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.

Прозрачная плёнка оксида висмута-вольфрама лежит на подложке и не проводит ток. Три минуты в облаке азотной плазмы, и она чернеет, а сопротивление падает в миллиард раз. Секрет не в новых атомах, а в перестановке старых: пустые места, где раньше сидел кислород, выстраиваются в ровные ряды, как солдаты по команде. Эта шеренга пустот становится дорогой для электронов.

Крошечная чёрная дыра пролетает сквозь облако водорода и растягивает атомы, как ириску. Так выглядит сверхпроводник, когда в нём заперт незатухающий ток: вещество, в котором электричество течёт без потерь, превращается в миниатюрный постоянный магнит.

Один универсальный переводчик для всех диалектов натрия. Жидкий натрий в реакторе ведёт себя по-разному: у стенки трубы он плотный и быстрый, у поверхности кипения — разреженный и медленный. Раньше для каждого такого состояния требовался отдельный набор расчётов, как если бы для каждой фразы нанимали нового переводчика.

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.

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.

Горячая вода после душа, тёплый воздух из вентиляции, нагретые стенки двигателя — всё это низкопотенциальное тепло с температурой ниже 100°C. Обычно оно рассеивается в окружающей среде, не совершив полезной работы. Теперь появилась технология, которая позволяет улавливать такое тепло и превращать его в электричество. Внутри нового устройства — проволока из никель-титанового сплава.

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.

Вселенная постоянно шлёт нам сигналы, но многие из них слишком слабы, чтобы их заметить. Реликтовые нейтрино — частицы, оставшиеся от Большого взрыва, — проходят сквозь Землю миллиардами каждую секунду, но поймать хотя бы одно — задача на грани возможного. Нужен детектор, который почувствует энергию в тысячу раз меньше, чем нужно, чтобы сдвинуть пылинку.

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.

Тонкая плёнка особого кристалла — например, дисульфида молибдена — лежит на предметном столике. Температура чуть выше той, при которой материал становится сверхпроводником.

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.

Тепло окружает нас повсюду: от выхлопной трубы автомобиля до корпуса работающего ноутбука. Превратить это бросовое тепло в электричество могли бы термоэлектрические материалы.

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 бассейне вода обычно разбегается кругами от брошенного камня. Но если направить поток строго вдоль бортика, она побежит только по краю. Нечто подобное заметили в кусочках сверхпроводящего кристалла FeTe0.55Se0.45. Когда измеряли сопротивление, выяснилось: ток идёт не сквозь весь кристалл, а только по его острой, идеально ровной границе — словно по невидимому желобу.

Слаженный оркестр электронов в сверхпроводнике легко сбить с ритма. Тепловые толчки разрушают хрупкий порядок, и сопротивление возвращается. Десятилетиями учёные искали способы укрепить этот ансамбль — в основном меняя состав материала или сжимая его до немыслимых давлений. Но есть и третий, почти бестелесный инструмент: пустота, наполненная электромагнитным гулом.

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.

Крошечный шарик массой в доли миллиграмма, подвешенный в магнитном поле и охлаждённый почти до абсолютного нуля, совершает колебания на протяжении 110 часов без остановки — это рекордный уровень изоляции от внешней среды.

Сверхпроводник не пускает магнитное поле внутрь себя. Но если поле сильное, оно всё же проникает — не сплошным потоком, а отдельными вихревыми нитями, похожими на маленькие смерчи. Внутри каждой нити сверхпроводимость разрушена, а вокруг течёт незатухающий ток. Эти нити не стоят на месте: под действием тока они могут двигаться, и тогда сверхпроводник теряет свои замечательные свойства.

Обычная флешка в кармане греется, даже когда просто лежит. А теперь представьте память, которая в холоде почти ничего не тратит — как термос, который не остывает. Сверхпроводник при температуре жидкого гелия проводит ток без потерь, но хранить данные он не умел. Новая ячейка меняет это. Внутри — слоёный бутерброд из ниобия и магнитных плёнок.

Толпа на узкой улице движется медленно, потому что люди натыкаются друг на друга. В кремнии тепло переносится похожими «толчками» — колебаниями атомов, которые называют фононами. Если прорезать в кремниевой плёнке крошечные отверстия, фононы будут натыкаться на них, как пешеходы на столбы, и тепло пойдёт хуже.

Кристалл, который обещал проводить ток без потерь при комнатной температуре, оказался похож на карточный домик: тронь — рассыплется. Два соединения — с серебром и с золотом — считались кандидатами в сверхпроводники, но проверка показала, что оба не выдерживают даже обычных условий. В серебряном варианте решётка просто схлопывается.

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.

Раскалённый кусок металла в печи — как сковорода на плите: чем сильнее жар, тем быстрее тепло уходит в руку, если дотронуться. Но при температурах, где металл уже близок к плавлению, измерить эту скорость очень трудно: датчики плохо прилегают, тепло утекает в воздух, а сам образец светится и путает приборы. Новый метод обходит эти препятствия.

В кристалле-изоляторе тепло обычно распространяется от горячего конца к холодному. Но если включить магнитное поле, часть теплового потока заворачивает в сторону — как вода, которая, стекая с горки, слегка уходит вбок, когда её подталкивает ветер. Такое поведение называют тепловым эффектом Холла.

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.

Два одинаковых автомобиля сходят с одного конвейера. Кузов, колёса, руль — всё совпадает. Только в одном стоит обычный бензиновый мотор, а в другом — гибридный, который можно подстраивать под дорогу. И вот гибрид глохнет через пару километров, а бензиновый едет десятки. Примерно так обстоят дела с двумя типами сверхпроводящих кубитов — строительных блоков квантового компьютера.

Сплав палладия и теллура, в который добавили немного золота, ведёт себя как провод, теряющий сопротивление при охлаждении. При обычном давлении у трёх образцов с разным содержанием золота температура перехода в сверхпроводящее состояние составила 2.7, 4.1 и 4.6 кельвина — это холоднее, чем в морозильной камере, примерно как в открытом космосе.

Превращение лёгких газов, таких как водород и азот, в металлическое состояние — давняя мечта физиков, уходящая корнями в предсказания о поведении вещества при экстремальных давлениях.

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.

Стопка тонких пластинок из разных материалов лежит на столе. Если нагреть её снизу, тепло пойдёт вверх, но будет ли оно так же быстро растекаться в стороны? В слоистых полупроводниках ответ — нет: вдоль слоёв тепло бежит быстрее, чем поперёк. Это похоже на воду в стопке бумаги: вдоль листов она растекается легко, а сквозь стопку просачивается с трудом.

В некоторых кристаллах электроны выстраиваются в волну — как рябь на поверхности воды, только из заряда. Обычно такая волна существует лишь при сильном холоде. Но в этом эксперименте учёные увидели, что следы волны остаются даже при комнатной температуре.

Рентгеновский луч падает на кусочек сверхпроводника, и тот едва заметно теплеет. Этот нагрев в миллиардные доли градуса — единственный след, который оставляет свет. Новый детектор ловит именно его, как чуткий термометр, прижатый к холодному металлу. Внутри датчика — сверхпроводящая плёнка, работающая на грани потери сверхпроводимости.

Железо — магнит, а не проводник без сопротивления. Но если в сплав железа с мышьяком и кислородом добавить немного фтора, картина меняется. Учёные взяли соединение PrFeAsO и постепенно заменяли кислород на фтор. При определённой концентрации фтора материал терял электрическое сопротивление — становился сверхпроводником.

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.

Красное смещение далёкого объекта обычно указывает на пылевую завесу, скрывающую аккреционный диск, падающий в чёрную дыру — область пространства с гравитацией, не выпускающей даже свет.

Ион кальция в магнитной ловушке напоминает шарик, который постоянно подрагивает от тепла. Чтобы заставить его замереть, физики обычно бьют по нему лазером с разных сторон. Но в новом эксперименте хватило одного луча, направленного вдоль оси ловушки. Сначала ион охлаждают обычным способом — лазер слегка притормаживает его движение, как встречный ветер гасит скорость бегуна.

Крошечный магнит из слоёв серы, хрома и брома лежит на столике микроскопа. Внутри него, как случайные гости, сидят атомы эрбия — редкоземельного металла. Эти атомы умеют светиться, если их подсветить лазером, и их свет рассказывает о том, что творится вокруг.

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.

Обычная компьютерная память всё время тратит энергию, чтобы не забыть записанное. Сверхпроводник мог бы хранить данные без потерь, но его трудно заставить переключаться. В новой работе сверхпроводник зажат между двумя магнитными изоляторами. Магнитные слои действуют как два магнита: если их полюса смотрят в одну сторону, сверхпроводимость включена; если в разные — выключена.