механизмы усиления сверхпроводимости

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.

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.

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.

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.

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.

В классической термодинамике тепловые машины подобны музыканту-виртуозу на сцене: чем ближе к совершенству исполнения (КПД Карно), тем медленнее темп (мощность).

Обычно сверхпроводимость — это история про холод. Чем ниже температура, тем легче электронам объединиться в пары и течь без сопротивления. Но в новой работе физики вырастили тонкие плёнки никелатов с добавкой европия и увидели обратную картину.

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.

В некоторых материалах электрический ток может течь без малейших потерь — это сверхпроводимость. Но перед тем как стать сверхпроводником, вещество часто проходит через странное состояние: электроны уже чувствуют друг друга и образуют пары, однако дружно двигаться ещё не могут.

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.

Резиновая лента, которая становится тем толще, чем сильнее её тянешь. В электричестве такое поведение называют отрицательной ёмкостью: чем больше заряда накапливается на обкладках, тем меньше напряжение. Обычный конденсатор работает наоборот — напряжение растёт вместе с зарядом.

Если нагреть гвоздь в костре, он удлинится — это знает каждый. Но если нагреть только кончик, а другой оставить холодным, гвоздь не просто станет длиннее: он изогнётся, потому что горячий металл расширяется сильнее холодного. Именно этот изгиб, только на атомном уровне, физики превратили в электричество.

Сверхпроводник похож на идеальный хоровод электронов: они движутся парами, не теряя энергии, словно танцоры, которые никогда не сбиваются с ритма. Но стоит добавить немного магнитных примесей — и в хоровод врезаются посторонние, мешая синхронному движению. Температура, при которой начинается этот танец, падает.

Камертон звучит всё тише не потому, что его перестали держать, а потому, что сама рука, ударяющая по нему, создаёт вокруг невидимую взвесь, гасящую колебания. Примерно так ведёт себя сверхпроводящий резонатор — крошечная дорожка, по которой почти без потерь бегает микроволновый сигнал.

Сверхпроводник — это материал, по которому ток течёт без потерь, как вода по идеально гладкой трубе. Но чтобы труба стала идеальной, её нужно охладить до очень низкой температуры. Физики давно ищут способы сделать такую трубу при температуре потеплее, и одна из подсказок — квантовая критическая точка.

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.

Молекулярный усилитель — как защёлка на двери: слабый сигнал открывает путь сильному. В живых клетках такие усилители работают постоянно, но почти всегда тратят топливо. А можно ли усилить сигнал, не расходуя энергию? Оказывается, да — если заранее «взвести пружину», то есть подготовить молекулы так, чтобы им было выгодно перестроиться при появлении нужного ключа.

Ковёр лежит ровно, но если его толкнуть с краю, по нему побегут складки. В тонкой плёнке сульфида тантала (1T-TaS2) складки из электронов — волны заряда — застывают, как будто ковёр примёрз к полу. Чтобы сдвинуть их, нужно приложить усилие. Учёные нашли способ управлять этим усилием с помощью электрического поля и магнита.

Обычно ток в металле действует как кипяток на лёд: он нагревает материал и разрушает магнитный порядок. Но в слоистой структуре из дителлурида вольфрама и ферромагнетика Fe3GeTe2 ток ведёт себя иначе.

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.

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.

При температурах вблизи абсолютного нуля некоторые материалы переходят в состояние сверхпроводимости: электрический ток течёт без потерь энергии. Ключевая характеристика здесь — критическая температура, выше которой сверхпроводимость исчезает.

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.

Сверхпроводник — это материал, который при очень низкой температуре проводит электричество без потерь: электроны движутся, не расталкиваясь, как толпа, идущая по идеально ровному коридору. Но стоит включить сильное магнитное поле, и внутри сверхпроводника появляются вихри — крошечные области, где сверхпроводимость исчезает.

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.

Свет в полупроводниках рождается из пар зарядов — электрона и дырки, которые притягиваются друг к другу, как магнит к холодильнику. Такая пара называется экситоном. Если к паре добавить ещё один заряд, получится трион — «тройка» из трёх частиц.

В массивном металле электроны ведут себя подобно расстроенному оркестру: каждый инструмент — сам по себе, и общее звучание сливается в хаотичный шум. Но стоит раскатать металл до плёнки толщиной всего в несколько атомных слоёв, и картина радикально меняется: электроны внезапно начинают «играть» согласованно, проводя электрический ток без диссонанса — без сопротивления.

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.

Сверхпроводники — это материалы, которые проводят электричество без потерь, но обычно их свойства фиксированы. В новой работе учёные сделали устройство, похожее на перекрёсток двух сверхпроводящих дорожек. Подавая слабое магнитное поле перпендикулярно этому перекрёстку, они смогли изменить силу тока, который устройство может пропустить, в четыре раза.

Кристалл сверхпроводника сжимают в маленькой ячейке — как будто зажимают его в тиски, но с водой, чтобы давление распределялось равномерно. Давление до 1,08 ГПа (это примерно в сто раз больше, чем в автомобильной шине) почти не меняет температуру, при которой материал теряет сопротивление.

Обычный способ заморозить живую клетку похож на попытку надеть на неё скафандр: сначала нужно ввести внутрь защитное вещество, но пока оно проникает через оболочку, клетка может лопнуть от перепада солей или отравиться химией.