Вчені виявили новий тип надпровідності в кристалоподібному матеріалі

Група фізиків з Університету Вашингтона та Міністерства енергетики США (DOE), схоже, відкрила новий, контрольований різновид надпровідності в екзотичному матеріалі, схожому на кристал. Його надпровідність можна змінювати в залежності від прикладеної до нього деформації, аж до повного відключення. Водночас, мабуть, був побитий рекорд з того, наскільки «гарячим» може бути надпровідник з польовим ефектом, перш ніж він втратить здатність проводити електрику, не зустрічаючи жодного опору.

У науковій статті, опублікованій в журналі Science Advances, описується синтетичний кристалоподібний сендвіч з феромагнітного (європій) і надпровідного матеріалів (арсенід заліза), який демонструє надпровідність, що виникає при приміщенні поблизу досить сильного магнітного поля. Легований кристал EuFe2As2, а саме так називається матеріал через додавання молекул кобальту в процесі синтезу, використовує переваги сильного феромагнетизму європію (Eu), що чергується з надпровідними шарами FeAs (арсеніду заліза) у конфігурації сендвіч.

В результаті виходить так званий надпровідник, що налаштовується магнітним полем — його надпровідність можна активувати за допомогою зовнішніх магнітних полів. У разі легованого кристала EuFe2As2 (з використанням спеціалізованого обладнання та комбінації рентгенівських методів) дослідницька група показала, як правильно вирівняне зовнішнє магнітне поле врівноважує магнітні поля, що походять від феромагнітних європієвих шарів. Це дозволяє переорієнтувати їх і як тільки спочатку хаотичні магнітні поля стають паралельними надпровідним, виникає стан матерії з нульовим опором.

Але легований кристал EuFe2As2 має ще одну цікаву властивість: його надпровідні здібності можна відключити навіть у досить сильному магнітному полі. Все, що для цього потрібно, — деформувати матеріал за допомогою кріогенного тензорезистора — прикласти тиск з одного боку (одновісний) за допомогою спеціального промислового поршня, сертифікованого для наукових вимірів. У цьому змінюється ступінь опору електронів під час проходження крізь нього. При певних рівнях деформації надпровідність синтетичного матеріалу може бути підвищена настільки, що для переходу до надпровідного стану не потрібне зовнішнє магнітне поле. Але після певного моменту навіть надлишковий тиск не дозволяє запустити процес.

Дослідники відзначили труднощі у процесі синтезу. Так, група не спромоглася визначити, що завадило отримати в результаті синтезу стабільні зразки EuFe2As2, легованого кобальтом; натомість вони повідомили про «значну варіативність зразків », де під варіативністю розуміється наявність або відсутність надпровідності, спричиненої полем. Дослідники також зазначили, що труднощі, швидше за все, виникли на етапі легування кобальтом, що підтверджує, наскільки складно контролювати квантові процеси (наприклад, хімічні реакції) на рівні точності, якого вимагають деякі з цих синтетичних матеріалів, які є носіями надпровідності.

Тонкі, субатомні зміни та взаємодії елементів — це дійсно все, що потрібно для перетворення матеріалу з напівпровідника на надпровідник. Але за цією простотою ховається складна взаємодія елементів, частинок та субатомних частинок, спинів, магнітних полів та багатьох інших параметрів, які мають бути суворо такими, як потрібно – або, у випадку зі зразками у дослідженні, перебуває при температурі між 4 та 10 Кельвінами.

Такий рівень дозволу та контролю за моментом «вимкнення» надпровідності (що те саме, що й момент «включення», але в особливому, квантовому сенсі) повинен дати безцінні відомості про квантову фізику надпровідності. Принаймні знову відкритий надпровідник може стати випробувальним стендом для кращого розуміння самої надпровідності. Дослідження підводить до можливості побачити молекулярний перехід від звичайної матерії до її надпровідної фази та має підвищити нашу здатність контролювати цей ефект та отримувати з нього подальшу користь. Наприклад, це відкриття може знайти застосування у надпровідних ланцюгах для промислової електроніки наступного покоління.