Ученые из Национальной лаборатории Эймса выявили первый сверхпроводник, химический состав которого встречается в природе. Миассит – один из четырех минералов, которые при выращивании в лабораторных условиях работают как сверхпроводники. Исследование миассита показало, что он является нетрадиционным сверхпроводником со свойствами, схожими с высокотемпературными сверхпроводниками. Полученные результаты, опубликованные в журнале Communications Materials, углубляют понимание учеными этого типа сверхпроводимости, что может привести к созданию более устойчивых и экономичных технологий на основе сверхпроводников в будущем.
Сверхпроводимость – это свойство материала проводить электричество без потери энергии. Сверхпроводники находят применение в медицинских аппаратах МРТ, силовых кабелях и квантовых компьютерах. Обычные сверхпроводники хорошо изучены, но имеют низкую критическую температуру. Критическая температура – самая высокая температура, при которой материал работает как сверхпроводник.
В 1980-х годах ученые открыли нетрадиционные сверхпроводники, многие из которых имеют гораздо более высокую критическую температуру. По словам Руслана Прозорова, ученого из лаборатории Эймса, все эти материалы выращиваются в лаборатории. Этот факт привел к общему мнению, что нетрадиционная сверхпроводимость не является естественным явлением.
Найти сверхпроводники в природе сложно, потому что большинство сверхпроводящих элементов и соединений являются металлами и склонны реагировать с другими элементами, например, с кислородом. Миассит (Rh17S15) – интересный минерал по нескольким причинам, одна из которых – его сложная химическая формула. «Интуитивно кажется, что это нечто, полученное в ходе целенаправленного поиска, и оно не может существовать в природе. Но оказалось, что это так», – сказал Прозоров.
Пол Кэнфилд, заслуженный профессор физики и астрономии Университета штата Айова, специализируется на разработке, открытии, выращивании и определении характеристик новых кристаллических материалов. Для этого проекта он синтезировал высококачественные кристаллы миассита. Хотя миассит – это минерал, который был обнаружен вблизи реки Миасс в Челябинской области, это редкий минерал, который обычно не бывает в виде хорошо сформированных кристаллов.
Выращивание кристаллов миассита было частью более масштабной работы по обнаружению соединений, сочетающих в себе высокоплавкие (например, Rh) и летучие элементы (например, S). «Вопреки природе чистых элементов, мы осваиваем использование их смесей, которые позволяют выращивать кристаллы при низкой температуре и минимальном давлении пара», – говорит Кэнфилд.
Группа Прозорова специализируется на передовых методах изучения сверхпроводников при низких температурах. По словам ученых, материал должен был быть холодным: до 50 милликельвинов, что составляет около -273 градусов по Цельсию.
Команда Прозорова использовала 3 различных теста, чтобы определить природу сверхпроводимости миассита. Основной из них называется «глубина проникновения Лондона». Он определяет, насколько далеко слабое магнитное поле может проникнуть в объем сверхпроводника от поверхности. В обычном сверхпроводнике эта длина практически постоянна при низкой температуре. Однако в нетрадиционных сверхпроводниках она изменяется линейно с температурой. Этот тест показал, что миассит ведет себя как нетрадиционный сверхпроводник.
Еще один тест заключался во введении дефектов в материал. Он заключается в бомбардировке материала высокоэнергетическими электронами. Этот процесс сбивает ионы с их позиций, создавая тем самым дефекты в кристаллической структуре. Такой беспорядок может привести к изменению критической температуры материала. В миассите команда обнаружила, что и критическая температура, и магнитное поле ведут себя так, как и предсказывалось в нетрадиционных сверхпроводниках.
Исследование нетрадиционных сверхпроводников улучшает понимание учеными того, как они работают. Прозоров объяснил, что это важно, потому что «раскрытие механизмов, лежащих в основе нетрадиционной сверхпроводимости, является ключом к экономически обоснованному их применению».
[Фото: U.S. Department of Energy Ames National Laboratory]
