Надпровідність за кімнатної температури отримали з тиском у 10 кілобар
Американські фізики повідомили, що їм вдалося спостерігати надпровідність за кімнатної температури та за достатньо невеликого тиску. Легований азотом гідрид лютецію проявив надпровідні властивості за температури у 21 градус Цельсію і тиску в 10 кілобар, що відкриває більше шляхів практичного використання надпровідників. Результати дослідження вчені опублікували у Nature.
Які температурні проблеми має надпровідність?
Вчені знайшли безліч практичних застосувань здатності проводити струм без опору — надпровідності. Вона обіцяє не лише можливість позбутися енерговитрат, а і, наприклад, транспортні засоби, що левітують, здешевлення таких технологій, як магнітно-резонансна томографія і магнітокардіографія, а також ефективнішу електроніку та установки для термоядерного синтезу. Втім, використати весь потенціал надпровідності заважають, умови яких вона потребує.
Традиційні надпровідники втрачають свої властивості вже за температури -240 градусів Цельсію, а ті, що їх називають високотемпературними, — за температури у -181,15 градуса Цельсію. Тож, аби надпровідність можна було широко використовувати, вчені активно шукають матеріали, які б набували надпровідних властивостей за вищих температур, а саме — за кімнатної.
До цього результату наблизилися матеріали з використанням водню: різні гідриди демонструють надпровідність за рекордно високих для себе температур від -23 аж до 46 градусів Цельсію. Однак, лише за екстремально високого тиску від 1,5 до 2,5 мільйона атмосфер. Нові результати представила команда фізиків з Рочестерського університету, які продемонстрували надпровідність у гідриді лютецію.
Що вдалося вченим?
Експериментаторам вдалося добитися надпровідності, критична температура для якої склала всього 20,8 градуса Цельсію за тиску у 10 кілобар. Цікаво, що при цьому зразок вчених змінював свій колір з синього на рожевий у режимі надпровідника та на червоний за вищої температури. Як і властиво надпровідникам, гідрид лютецію став проявляти ефект Мейснера — виштовхування магнітного поля — за тиску у 8 кілобар та температури в 3,8 градуса Цельсію.
Як виникла надпровідність?
Згідно з теорією Бардіна—Купера—Шріфера, надпровідність виникає тоді, коли електрони об'єднуються у так звані куперівські пари. У випадку високотемпературних надпровідників, вважається, сприяє цьому об'єднанню виникнення електрон-фононних взаємодій у кристалічній решітці. Тому для появи надпровідності слід забезпечити зручну для електронів кристалічну структуру, яку вчені отримують за високого тиску.
У своїй роботі дослідники вирішили зосередитися на лютеції, оскільки цей елемент характеризується повністю заповненою електронами 4f-оболонкою, що має сприяти формуванню куперівських пар, а тому потенційно підвищувати критичну температуру виникнення надпровідності. Гідрид лютецію додатково легували азотом, який стабілізував решітку, що дозволило уникнути використання дуже високого тиску.
Для дослідження вчені створили понад сотню зразків. Їх виготовляли, поміщаючи попередньо оброблену сумішшю газів водню та азоту (99 до 1) 100-мікрометрову лютецієву пластину між діамантовими ковадлами.
Більше про надпровідність ми розповідали у нашому матеріалі «Суперфізика та надмеханізми».