сверхпроводимость, индуцированная деформацией

На столе лежит кусок графита, выращенный из газа, как налёт на стенке реактора. Обычно такой материал не годится для превращения тепла в электричество: внутри него электроны и дырки бегут в разные стороны и гасят друг друга. Но если этот кусок поместить в магнитное поле и нагреть с одного края, заряды начинают двигаться в одну сторону, как толпа, которую регулировщик направляет в один выход.

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.

Электрики, работающие с высоким напряжением, похожи на водолазов: им нужно видеть, что творится глубоко под водой, но самим туда не спускаться. Для этого нужен датчик, который стоит в стороне от опасного тока и передаёт информацию наверх.

Представьте почти пустой танцпол, где редкие посетители движутся каждый сам по себе — хаотично, без связи друг с другом. Но стоит включить определённую музыку и немного охладить зал, как танцоры вдруг выстраиваются в длинные цепочки и начинают двигаться в унисон. Примерно так ведут себя электроны в разрежённом трёхмерном газе.

Водопроводная труба: чем она шире, тем больше воды проходит. В сверхпроводящих контактах — джозефсоновских переходах (мостиках, по которым ток течёт без сопротивления) — обычно так же: чем лучше материал проводит в обычном состоянии, тем больший сверхпроводящий ток через него течёт.

В двумерном кристалле диселенида вольфрама (WSe₂) поглощённый свет порождает пары связанных зарядов — электрон и дырку, удерживаемые кулоновским притяжением. Такие квазичастицы называют экситонами.

Кристалл уран-мышьяк (UAs2) под давлением ведёт себя как дом с двумя комнатами. В одной комнате электроны сидят на месте, в другой — свободно гуляют. При обычных условиях это классический «решёточный Кондо»: тяжёлые, почти неподвижные электроны на орбиталях 5f5/2 окружены морем быстрых электронов проводимости. Возникает плоская зона — словно полка, где скорости электронов почти нет.

Обычно свет не превращает изолятор в проводник — для этого требуются мощные лазерные импульсы, разрушающие структуру материала. Но в скрученном под магическим углом двуслойном графене — материале из двух слоёв углеродной решётки, повёрнутых друг относительно друга на особый угол, — всё иначе.

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.

Соты, наполненные электронным «мёдом». В обычном состоянии электроны движутся беспорядочно, но при сильном охлаждении они могут объединяться в пары — так рождается сверхпроводимость. Форма этих пар, или симметрия спаривания, определяет свойства материала: одни танцуют вальс, другие — фокстрот.

Электроны в обычном проводнике ведут себя как хаотичная толпа: сталкиваясь друг с другом и с дефектами решётки, они теряют энергию, что проявляется как электрическое сопротивление. В сверхпроводнике же электроны движутся согласованно, словно пары в слаженном танце, не задевая друг друга.

Толпа людей, которые могут свободно двигаться, но вдруг начинают действовать как одно целое — так сверхпроводник пропускает ток без сопротивления.

Когда много возбуждённых атомов собраны вместе, они часто выстреливают светом согласованно — как толпа, которая аплодирует в такт. Это давно известное явление называется сверхизлучением Дике. Но авторы новой работы задались вопросом: что будет, если атомы не одинаковы и каждый ощущает своих соседей?

Мостик из алюминия толщиной в несколько атомов — сердце многих квантовых приборов. Через такой мостик ток течёт без сопротивления, и им можно управлять магнитным полем. Такие мостики называют джозефсоновскими контактами — по имени британского физика, который описал их поведение. Обычно их делают с помощью электронного луча, но это дорого и медленно.

Физики пытаются услышать шёпот в шумной комнате. Они строят звуконепроницаемую кабинку, но даже в ней собственное дыхание и биение сердца создают помехи. Примерно так же ищут признаки квантовой гравитации: хотят увидеть, как сила тяжести связывает две частицы в единое целое — запутывает их. Частицы помещают в вакуум и закрывают проводящим экраном, чтобы убрать электрические силы.

Квантовый компьютер похож на оркестр, где каждый музыкант — это спин электрона, его крошечный магнитный момент. Чтобы оркестр играл слаженно, дирижёр должен слышать каждого музыканта отдельно.

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.

Трение расчёски о шерсть рождает искру. Похожий принцип работает в трибоэлектрических наногенераторах — устройствах, которые превращают механические прикосновения в электричество. Проблема в том, что обычные материалы дают слабый заряд.

Лазер бьёт по кристаллу, и тот отвечает вспышками света — как колокол звенит в ответ на удар. Но если колокол тёплый, его звук дрожит и глохнет. Так и здесь: атомы кристалла постоянно дрожат от тепла, и эта дрожь мешает электронам лететь ровно, поэтому свет получается тусклым и смазанным. Учёные взяли кристалл Re6Se8Cl2 — вещество, где атомы собраны в крупные блоки, похожие на строительные кубики.

Лист графена толщиной в один атом подвешен в воздухе, как натянутая простыня. По нему бегут волны тепла — колебания атомов, которые физики называют фононами. Раньше считалось, что эти волны быстро рассеиваются из-за сильного взаимодействия, и тепло передаётся плохо. Но эксперименты показывали обратное: тепло идёт лучше, чем по старым расчётам.

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.

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.

Кристалл титаната бария напоминает толпу, где каждый человек держит в руках стрелку-указатель. В обычном состоянии стрелки смотрят в разные стороны, но если приложить электрическое поле, все разом поворачиваются в одну сторону.

Тонкий лист графина толщиной в несколько микрометров поместили в слабое магнитное поле — и он начал выталкивать его из себя, как губка выталкивает воду, если её сжать. Этот эффект, известный как эффект Мейснера, — фирменный признак сверхпроводника: материала, который проводит ток без потерь.

Лист графена толщиной в один атом скручивают под небольшим углом, и он начинает вести себя как слоёный пирог, где слои слегка повёрнуты друг относительно друга. При определённом угле поворота этот материал становится сверхпроводником: электроны начинают двигаться парами, как танцоры в вальсе, не теряя энергии. Но что именно происходит внутри, до сих пор оставалось загадкой.

Тихая труба с нагретой сеткой внутри. Напряжение на сетке резко поднимают — и труба вдруг начинает гудеть, сама себя поддерживая. Это не поломка, а переход в другое устойчивое состояние, как шарик, перекатившийся через горку в соседнюю ямку.

Кристалл оксида осмия OsO₂ напоминает упрямого подростка: при обычных условиях он ведёт себя как обычный металл, но стоит надавить посильнее — и характер меняется.

Сверхпроводник проводит ток без потерь, как идеально ровная дорога, по которой машины едут без трения. Но что, если на дорогу насыпать камней и ям? Учёные решили проверить это, добавив беспорядок в сверхпроводящий материал толщиной в один атом. Они взяли тончайший слой соединения железа, теллура и селена — сверхпроводник при температуре выше, чем у многих других.

Звук на поверхности кристалла — как рябь на воде, только бежит по твёрдому телу. Такая рябь называется поверхностной акустической волной: она движется в сто тысяч раз медленнее света, поэтому её можно сжать в очень короткие отрезки и уместить на крошечном чипе. Обычно такие волны запускают металлическими гребёнками из алюминия или золота.

Кристалл из стронция, йода, кислорода и водорода — с виду обычный белый порошок. Но если сжать его с силой в сотни тысяч атмосфер, внутри начинается перестройка. Атомы йода, которые обычно держатся на расстоянии, вдруг сближаются и образуют новые связи.

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.

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.

Обычный сверхпроводник и магнитное поле — как вода и огонь: поле разрывает пары электронов, которые переносят ток без сопротивления. Но стоит вместо сплошной плёнки взять россыпь мельчайших алюминиевых крупинок, каждая из которых покрыта тонким слоем оксида, и ситуация меняется.

Солнечный свет падает на крышу, и в тонкой плёнке рождаются электроны. Они должны успеть добежать до проводов, пока не остыли и не растеряли энергию. В сульфиде олова — дешёвом и доступном материале для батарей — этот бег и остывание удалось снять с невиданной резкостью: кадры следуют через миллиардные доли миллиардной доли секунды.

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.

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.

Магниты в этом кристалле ведут себя как гости на вечеринке, где каждый хочет сесть на один и тот же стул. Никто не может устроиться окончательно — и от этой неразберихи рождается особое состояние. В нём спиновый момент (то, что делает электрон крошечным магнитиком) умудряется пробежать 480 микрометров.

Сверхпроводник — это материал, где электрический ток течёт без потерь, как вода по идеально гладкой трубе. Но если в нём возникают вихри, ток начинает «спотыкаться» об эти крошечные завихрения. В графене, скрученном под особым углом, такие вихри можно создавать и изучать по одному. Учёные собрали устройство, похожее на узкий мостик между двумя сверхпроводящими берегами.

Обычный сверхпроводник работает только в морозильной камере природы — при температурах ниже минус ста градусов. Материал из углеродных шариков K₃C₆₀ не исключение: без холода он сопротивляется току, как толпа в узком коридоре. Но физики заметили странную вещь: если посветить на него лазером, он начинает проводить ток без потерь даже в тепле.

Кубик из танталата калия ведёт себя как обычный диэлектрик: электрическое поле он не хранит. Но стоит вырастить этот материал тонкой плёнкой на подложке из другого кристалла, как всё меняется. Кристаллические решётки плёнки и подложки не совпадают по размеру, и плёнка вынуждена подстроиться — она сжимается на 2,1 процента.