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.
Зразок гідриду лютецію розміром у приблизно міліметр, який створили в лабораторії. University of Rochester photo / J. Adam Fenster
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.
Еволюція критичної температури надпровідного переходу у гідриді лютецію залежно від тиску. З ростом тиску вона зростає, але за позначкою у 21 градус Цельсію і тиску 10 кілобар, знижується. При цьому змінюється і колір матеріалу. Nathan Dasenbrock-Gammon et al. / Nature, 2023
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.
Схема експерименту з вимірювання теплоємності зразка, що знаходиться між діамантовми ковадлами. Nathan Dasenbrock-Gammon et al. / Nature, 2023
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».