Нова ера досліджень надпровідності – вчені виявили матеріал «Златовласка»

TU Wien виконав розрахунки, які передбачають використання дорогоцінного металу паладію як матеріалу «Златовласки» для створення надпровідників, які залишаються надпровідними навіть при відносно високих температурах. В галузі сучасної фізики продовжується дослідження: визначення оптимального методу створення надпровідників, які зберігають свою надпровідність за високих температур і тиску навколишнього середовища. Останнім часом цей пошук пожвавився завдяки появі нікелятів, що започаткувало нову еру надпровідності.

Основою цих надпровідників є нікель, що спонукало багатьох вчених називати цей період досліджень надпровідності «нікелевим віком». У багатьох аспектах нікелати подібні до купратів, які були знайдені в 1980-х роках на основі міді.

Але тепер у гру вступає новий клас матеріалів: у співпраці між TU Wien та університетами Японії стало можливим симулювати поведінку різних матеріалів точніше на комп’ютері, ніж раніше. Існує «зона Золотовласки», в якій надпровідність працює особливо добре. І ця зона досягається ні нікелем, ні міддю, а паладієм. Це може започаткувати нову «епоху паладатів» у дослідженнях надпровідності. Результати опубліковані в науковому журналі Physical Review Letters.

Пошук більш високих температур переходу

При високих температурах надпровідники поводяться дуже подібно до інших провідних матеріалів. Але коли вони охолоджуються нижче певної «критичної температури», вони різко змінюються: їхній електричний опір повністю зникає, і раптом вони можуть проводити електрику без будь-яких втрат. Ця межа, за якої матеріал змінюється між надпровідним і нормально провідним станом, називається «критичною температурою».

«Тепер ми змогли розрахувати цю «критичну температуру» для цілого ряду матеріалів. Завдяки нашому моделюванню на високопродуктивних комп’ютерах ми змогли передбачити фазову діаграму нікелатної надпровідності з високим ступенем точності, як потім показали експерименти», – каже професор Карстен Хелд з Інституту фізики твердого тіла Віденського університету.

Багато матеріалів стають надпровідними лише трохи вище абсолютного нуля (-273,15°C), тоді як інші зберігають свої надпровідні властивості навіть при значно вищих температурах. Надпровідник, який все ще залишається надпровідним за нормальної кімнатної температури та нормального атмосферного тиску, кардинально змінив би спосіб виробництва, транспортування та використання електроенергії. Однак такий матеріал поки що не виявлено.

Тим не менш, високотемпературні надпровідники, в тому числі з класу купратів, відіграють важливу роль у техніці – наприклад, у передачі великих струмів або у створенні надзвичайно сильних магнітних полів.

Мідь? Нікель? Або Паладій?

Пошук найкращих можливих надпровідних матеріалів є складним: існує багато різних хімічних елементів, які піддаються сумніву. Ви можете поєднувати їх у різні структури, ви можете додавати крихітні сліди інших елементів, щоб оптимізувати надпровідність. «Щоб знайти відповідних кандидатів, ви повинні зрозуміти на квантово-фізичному рівні, як електрони взаємодіють один з одним у матеріалі», — говорить професор Карстен Хелд. Це показало, що існує оптимум сили взаємодії електронів. Взаємодія повинна бути сильною, але і не надто сильною. Між ними є «золота зона», яка дозволяє досягти найвищих температур переходу.

Паладати як оптимальне рішення

Цю золоту зону середньої взаємодії неможливо досягти ні купратами, ні нікелатами – але можна влучити в яблучко новим типом матеріалу: так званими паладатами. «Паладій знаходиться прямо на один рядок нижче нікелю в періодичній таблиці. Властивості подібні, але електрони в середньому знаходяться дещо далі від атомного ядра та один від одного, тому електронна взаємодія слабша», — каже Карстен Хелд.

Модельні розрахунки показують, як досягти оптимальних температур переходу для даних паладію. «Результати обчислень дуже багатообіцяючі», — говорить Карстен Хелд. «Ми сподіваємося, що тепер зможемо використовувати їх для початку експериментальних досліджень. Якщо ми матимемо цілий новий, додатковий клас матеріалів, доступних разом із паладатами, для кращого розуміння надпровідності та створення ще кращих надпровідників, це може просунути всю галузь досліджень вперед».