Вчені ідентифікували перший у світі «нетрадиційний» надпровідник, знайдений у природі

Вчені з Національної лабораторії Еймса виявили міасит, природний мінерал, який є нетрадиційним надпровідником, кидаючи виклик попереднім переконанням і вдосконалюючи наше розуміння надпровідності для майбутніх технологій.

Вчені з національної лабораторії Еймса ідентифікували перший нетрадиційний надпровідник, хімічний склад якого також зустрічається в природі. Міасит — один із чотирьох знайдених у природі мінералів, які діють як надпровідники, якщо їх вирощувати в лабораторії.

Дослідження команди міаситу показало, що це нетрадиційний надпровідник із властивостями, подібними до високотемпературних надпровідників. Їхні висновки покращують розуміння вченими цього типу надпровідності, що може призвести до більш стійкої та економічної технології на основі надпровідників у майбутньому.

Розуміння надпровідності

Надпровідність — це коли матеріал може проводити електрику без втрати енергії. Надпровідники знаходять застосування, включаючи медичні машини МРТ, кабелі живлення та квантові комп’ютери. Звичайні надпровідники добре вивчені, але мають низькі критичні температури. Критична температура — це найвища температура, при якій матеріал діє як надпровідник.

У 1980-х роках вчені виявили незвичайні надпровідники, багато з яких мають набагато вищі критичні температури. За словами Руслана Прозорова, вченого Ames Lab, усі ці матеріали вирощують у лабораторії. Цей факт призвів до загальної думки, що нетрадиційна надпровідність не є природним явищем.

Природне явище

Прозоров пояснив, що в природі важко знайти надпровідники, тому що більшість надпровідних елементів і сполук є металами і схильні реагувати з іншими елементами, наприклад киснем. Він сказав, що міасит (Rh ₁₇ S ₁₅ ) є цікавим мінералом з кількох причин, однією з яких є його складна хімічна формула. «Інтуїтивно ви думаєте, що це те, що виробляється навмисно під час цілеспрямованого пошуку, і це не може існувати в природі, — сказав Прозоров, — але виявляється, що так воно і є».

Пол Кенфілд, почесний професор фізики та астрономії в Університеті штату Айова та науковець з лабораторії Еймса, має досвід у розробці, відкритті, вирощуванні та характеристиках нових кристалічних матеріалів. Для цього проекту він синтезував високоякісні кристали міаситу. «Хоча міасит — це мінерал, який був виявлений біля річки Міасс у Челябінській області, Росія, — сказав Кенфілд, — це рідкісний мінерал, який зазвичай не росте у вигляді добре сформованих кристалів».

Вирощування кристалів міаситу було частиною більших зусиль з відкриття сполук, які поєднують елементи з дуже високою температурою плавлення (наприклад, Rh) і летючі елементи (наприклад, S). «Всупереч природі чистих елементів, ми опановуємо використання сумішей цих елементів, які дозволяють рости кристали при низькій температурі з мінімальним тиском пари», — сказав Кенфілд. «Це як знайти приховану рибальську яму, повну великої жирної риби. У системі Rh-S ми виявили три нові надпровідники. І завдяки детальним вимірюванням Руслана ми виявили, що міасит є нетрадиційним надпровідником».

Передові методи та знахідки

Група Прозорова спеціалізується на передових методах дослідження надпровідників при низьких температурах. Він сказав, що матеріал повинен бути холодним 50 мілікельвінів, що становить приблизно -460 градусів за Фаренгейтом .

Команда Прозорова використовувала три різні тести для визначення природи надпровідності міаситу. Основний тест називається «Лондонська глибина проникнення». Він визначає, наскільки слабке магнітне поле може проникати в об’єм надпровідника від поверхні. У звичайному надпровіднику ця довжина в основному постійна при низькій температурі. Однак у нетрадиційних надпровідниках вона змінюється лінійно з температурою. Цей тест показав, що міасит поводиться як нетрадиційний надпровідник.

Іншим тестом, який виконала команда, було внесення дефектів у матеріал. Прозоров сказав, що цей тест є характерною технікою, яку його команда використовувала протягом останнього десятиліття. Він передбачає бомбардування матеріалу електронами високої енергії. Цей процес вибиває іони з їх позицій, таким чином створюючи дефекти в кристалічній структурі. Цей розлад може викликати зміни критичної температури матеріалу.

Звичайні надпровідники нечутливі до немагнітного безладдя, тому цей тест покаже відсутність або дуже незначну зміну критичної температури. Нетрадиційні надпровідники мають високу чутливість до безладу, а введення дефектів змінює або пригнічує критичну температуру. Це також впливає на критичне магнітне поле матеріалу. У міасіті команда виявила, що і критична температура, і критичне магнітне поле поводяться, як передбачалося в нетрадиційних надпровідниках.

Дослідження нетрадиційних надпровідників покращує розуміння науковцями того, як вони працюють. Прозоров пояснив, що це важливо, оскільки «розкриття механізмів нетрадиційної надпровідності є ключовим для економічно обґрунтованого застосування надпровідників».