Международная группа физиков во главе с учёными из Йельского университета в США представила самые убедительные на сегодняшний день доказательства существования нового типа сверхпроводящих материалов. Подтверждение существования нематической фазы вещества является научным прорывом, который может открыть путь к созданию сверхпроводимости новым способом.

Фазовая диаграмма FeSe1−xSx, кристаллическая и электронная структура сверхпроводящего соединения FeSe0.81S0.19 / Источник: Nature Physics

Теория сверхпроводимости включает в себя раздел, в котором описывается, как протекание электрического тока без сопротивления можно объяснить электронной нематичностью или фазовым состоянием вещества, при котором частицы нарушают свою вращательную симметрию. В теории химические соединения могут обеспечить существование нематической фазы. Это связано с тем, что в условиях комнатной температуры для электрона в атомах горизонтальные и вертикальные направления потенциального движения не различимы по свойствам. При существенно более низких температурах электроны могут переходить в нематическую фазу, в которой одно из направлений становится для частиц более предпочтительным. В некоторых случаях электроны колеблются, отдавая предпочтение то одному, то другому направлению. Такое поведение электронов называют нематическими флуктуациями.

Долгие годы физики не могли доказать существование сверхпроводимости, возникающей из-за нематических флуктуаций. Теперь же учёные сумели экспериментально подтвердить существование нужной фазы вещества в смеси селенидов железа и серы. «Это идеальные материалы для нашего исследования, поскольку они демонстрируют нематический порядок и сверхпроводимость без магнетизма, который затрудняет их изучение», — рассказал руководитель исследования Эдуардо да Силва Нето (Eduardo H. Da Silva Neto).

В ходе эксперимента исследователи охладили образцы материала до температуры ниже 500 милликельвин. В таком состоянии практически прекращаются все движения и колебания атомов. Для наблюдения за образцами использовался сканирующий туннельный микроскоп (СТМ), с помощью которого можно получать изображения квантовых состояний электронов. Учёные сосредоточились на изучении образцов, в которых были более выраженные нематические флуктуации. Им требовалось обнаружить «энергетическую щель», которая является показателем наличия и силы сверхпроводимости. В ходе эксперимента было доказано существование нужного разрыва, который полностью соответствовал теоретическим параметрам сверхпроводимости, вызванной электронной нематичностью.

«Доказать существование разрыва было очень трудно, потому что для точного измерения разрыва требуются сложные СТМ-измерения при очень низких температурах. Следующий шаг — изучить этот процесс ещё внимательнее. Что произойдёт со сверхпроводимостью при увеличении содержания серы? Исчезнет ли она? Вернутся ли спиновые флуктуации?», — рассказал о дальнейших планах да Силва.

В дальнейшем учёные смогут не фокусироваться на магнитных параметрах сверхпроводимости, как это делали прежде. Одним из перспективных направлений для будущих исследований станет управление нематическими флуктуациями. Потенциально это может привести к созданию сверхпроводников, способных работать при более высоких температурах.

Компании Airbus и Toshiba подписали соглашение о совместной разработке сверхпроводящего авиационного двигателя. Это будет лёгкая и компактная установка мощностью от 2 МВт с охлаждением и питанием на основе охлаждённого до криогенных температур жидкого водорода. Японцы уже имеют прототип такого двигателя, а европейцы готовы интегрировать его в самолётные системы.

Источник изображения: Airbus

«Партнерство с Toshiba предоставляет уникальную возможность выйти за рамки ограничений современных частично сверхпроводящих и обычных электродвигателей, — сказал Гжегож Омбах (Grzegorz Ombach ), старший вице-президент Airbus и руководитель отдела перспективных исследований и разработок. — Благодаря этому сотрудничеству мы стремимся предложить прорывную технологию, которая могла бы открыть новые конструкторские возможности, в частности, для будущих самолетов Airbus, работающих на водороде».

Охлаждённый до температуры ниже -253 °C жидкий водород до попадания в водородные топливные ячейки будет охлаждать электродвигатель со сверхпроводящими обмотками и сверхпроводящим ротором. Это снизит потери от сопротивления обмоток и повысит соотношение вырабатываемой мощности к весу электродвигателя. По оценке Airbus, благодаря эффекту сверхпроводимости электродвигатели станут в три раза легче без потери мощности.

Водородные топливные ячейки смогут как напрямую питать электродвигатели самолётов, так и заряжать его тяговые аккумуляторы. Такой самолёт будет летать на большие расстояния, чем чисто аккумуляторный и при этом останется углеродно нейтральным, как того требует экологическая повестка. У компании Toshiba много лет имеется 2-МВт прототип подобного электродвигателя и теперь поставлена задача интегрировать его с авиационными системами.

В России также разрабатываются подобные гибридные и чисто электрические силовые установки с элементами сверхпроводимости. В частности, этим занимаются специалисты ЦИАМ.

Открытию сверхпроводимости 8 апреля этого года исполнилось 113 лет. Почтенный возраст, но загадка явления так и не отгадана. Первая внятная теория сверхпроводимости была создана только в 1957 году, но через 50 лет снова пошли сюрпризы. Так, в 2009 году обнаруженная к тому времени высокотемпературная сверхпроводимость (ВТСП) подкинула новую задачу — в сверхпроводниках выше критической температуры обнаружился необъяснимый теорией энергетический зазор.

Слева показан режим нормальной энергетической щели в ВТСП, справа — положение электронов в режиме псевдощели. Источник изображения: Science

Полное понимание физики сверхпроводимости и ВТСП в частности позволит искать нужные материалы буквально с открытыми глазами, тогда как сейчас (и все предыдущие 113 лет) учёные движутся в основном наугад. Созданная полвека назад учёными Джоном Бардиным, Леоном Купером и Робертом Шриффером «теория БКШ» объясняет сверхпроводимость когерентным поведением пар электронов — так называемых куперовских пар. Это явление квантового порядка, что делает анализ и моделирование сверхпроводимости архисложной и едва ли выполнимой задачей. По крайней мере, так было до появления новой работы.

Группа учёных из Парижского политехнического института смогла разработать подход, который позволил бы моделировать поведение электронов и куперовских пар в ВТСП-материалах. По их словам, это прорыв, который трудно переоценить. Анализ вскрыл как минимум одну тайну, присущую ВТСП — как возникает в купратах (оксидах меди, обнаруживших сверхпроводимость в 1986 году) псевдощель. Это интересная и загадочная вещь, которой до сих пор не было внятного объяснения (были только две гипотезы).

В классических сверхпроводниках энергетическая щель, в которой из электронов образуются квантово запутанные куперовские пары, возникает при температуре ниже критической (когда сверхпроводимость становится возможной). Для случаев ВТСП энергетическая щель может возникать при температуре выше критической. Это означает, что сверхпроводимость может проявляться при высоких температурах, включая комнатные. Надо ли объяснять, что понимание физики явления сулит чудесные открытия? Но с точки зрения теории БКШ эта щель необъяснима, за что она стала называться псевдощелью. Учёные из Франции и Швейцарии теперь готовы объяснить, как и почему она возникает.

Для моделирования поведения электронов в ВТСП учёные воспользовались упрощённой моделью Хаббарда, к которой они применили статистический метод Монте-Карло. Модель Хаббарда представила электроны как пешки на шахматной доске, которые могут переходить с одной клетки на другую и выравниваются на ней (в материале) в зависимости от направления спина и даже могут располагаться на одной клетке в случае противоположно направленных спинов. Метод Монте-Карло позволил провести анализ всей «доски» единовременно, что приближает моделирование к естественному процессу.

Переход к режиму псевдощели моделирование представило как перестройку электронов на «шахматной доске» от полосовой упорядоченной структуры к пустотам, расположенным как бы в шахматном порядке. Как только исчезала черезполосица, материал приобретал свойства псевдощели.

«Наше открытие поможет учёным в их поисках сверхпроводимости при комнатной температуре, Святого Грааля физики конденсированных сред, который позволил бы передавать энергию без потерь, более быстрые аппараты МРТ и сверхбыстрые левитирующие поезда», — отмечают авторы исследования.

Учёные Массачусетского технологического института (США) перевели атомы в экзотическое «пограничное состояние», в котором они свободно перемещаются без трения. Исследовательский проект может сыграть большую роль в создании сверхпроводящих материалов.

Источник изображения: news.mit.edu

Двигаясь по различным веществам, электроны встречают сопротивление разного уровня. В изоляторах движение электронов отсутствует или является незначительным, в полупроводниках оно происходит лишь отчасти, в проводниках — в значительной мере, а в сверхпроводниках движение происходит вообще без какого-либо сопротивления. В теории сверхпроводящие материалы можно будет использовать для высокоскоростной передачи данных и энергии, а создаваемое ими сильное электромагнитное поле окажется полезным в левитирующем высокоскоростном транспорте.

Изучение движения электронов — задача сложная, потому что эти частицы чрезвычайно малы и движутся очень быстро. Поэтому в рамках исследовательского проекта американские учёные заставили аналогичным образом вести себя атомы, более крупные и медленные. Они изучали сверхпроводимость в «пограничных состояниях» (edge states). В некоторых материалах электроны могут беспрепятственно двигаться только по определенным участкам — когда на их пути возникают препятствия, электроны их огибают, а не отскакивают. Применительно к электронам такие состояния длятся считанные фемтосекунды (квадриллионные доли секунды) и ограничиваются расстояниями в доли нанометра, поэтому проводить измерения в таких условиях очень сложно.

Чтобы преодолеть эту проблему, американские учёные построили установку, где такая же физика работает на уровне атомов на участках в несколько микронов при продолжительности в несколько миллисекунд. Для этого они поместили в лазерную ловушку около миллиона атомов натрия при температуре, близкой к абсолютному нулю, и начали быстро вращать их по кругу. В таких условиях ловушка втягивает атомы внутрь, центробежная сила выталкивает их наружу — на уровне атомов получает некое подобие плоского мира, который в реальности вращается. И есть ещё третья сила — сила Кориолиса, которая отклоняет атомы при движении по прямой линии. В результате крупные частицы начинают вести себя подобно электронам в магнитном поле.

После этого учёные установили границу — кольцо лазерного света вокруг внешней стороны участка. Касаясь этого кольца, атомы «прилипали» к нему, свободно перемещаясь по границе в одном направлении. Далее учёные установили в системе несколько препятствий — направили в лазерное кольцо несколько световых точек, но атомы не отскакивали от препятствия, а начали его огибать. Такое движение атомов соответствует поведению электронов в «пограничном состоянии», но на уровне более крупных частиц этот процесс впервые удалось наблюдать напрямую. Эту модель исследователи смогут использовать для проверки новых теорий, чтобы узнать больше о физике сверхпроводников, вводя в систему новые препятствия и осуществляя взаимодействия, последствия которых пока представляются непредсказуемыми.

Учёные из Университета штата Нью-Йорк в Буффало (The University of Buffalo) сообщили о создании самого высокоэффективного сегмента сверхпроводящего провода в мире. Речь пока не идёт о процессе промышленного изготовления ВТСП-проводов, однако основы технологии оценены как чрезвычайно перспективные.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.0/3DNews

Высокотемпературная сверхпроводимость (ВТСП) обещает радикально снизить потери в энергетике, приблизить появление сверхпроводящих магнитов для управляемых термоядерных реакторов, радикально изменить ядерную визуализацию в медицине, а также многое другое, что изменит жизнь людей к лучшему. Необходимо только найти материалы, которые обладали бы сверхпроводимостью при достаточно высоких температурах и (или) научиться выпускать ВТСП-провода с соотношением цена/качество, например, как у обычных медных проводов. Учёные из США приблизились ко второму варианту, хотя в их случае проводник ещё сохранял сверхпроводимость при достаточно высокой температуре -196 ℃.

Исследователи разработали техпроцесс, при котором лазер испаряет нанесённый на ВТСП-провод материал, создавая методом осаждения тонкоплёночное покрытие со свойством высокотемпературной проводимости. По их словам, они создали самое тонкое в мире покрытие такого рода — всего 0,2 мкм, что на порядок тоньше по сравнению с предыдущими работами. Ради справедливости отметим, что эксперимент проводился на небольшом участке провода шириной всего 4 мм. Однако это позволило измерить все необходимые характеристики, которые оказались на высоте.

Так, обработанный участок ВТСП-провода на основе материала REBCO гарантировал пропускание тока 190 млн А/см² без внешнего поля и 90 млн А/см² под воздействием поля 7 тесла. Эти характеристики достигнуты при температуре 4,2 К (-268,95 ℃). При температуре 20 К (-253,15 ℃), которая ожидается рабочей для запуска коммерческого термоядерного синтеза, провод по-прежнему пропускал свыше 150 млн А/см² без поля и свыше 60 млн А/см² в поле 7 Тл.

Также подвергнутый обработке сегмент провода продемонстрировал наивысшие в мире показатели удерживания вихревых токов (пиннинг вихрей) и высокие значения критических токов, при которых материал терял сверхпроводимость.

«Эти результаты помогут направить промышленность по пути дальнейшей оптимизации условий нанесения и изготовления [проводов], чтобы значительно улучшить соотношение цены и качества коммерческих проводников с покрытием», — отметил руководитель проекта и ведущий автор работы Амит Гоял (Amit Goyal).

В октябре 2020 года в журнале Nature вышла сенсационная статья, в которой группа доцента Ранга Диаса (Ranga Dias) из Университета Рочестера сообщила об открытии сверхпроводника, который демонстрировал свои свойства при температуре всего 15 °C. Статья прошла рецензирование и воспринималась как прорыв. Но вскоре посыпалась критика со стороны независимых исследователей. Изложенные в статье методики никому не удалось повторить, и после скандала в 2021 году статья была отозвана из журнала.

Источник изображения: Adam Fenster/University of Rochester

Это случилось за два года до появления новостей о южнокорейском якобы «комнатном» сверхпроводнике LK-99. Группа Диаса работала над другим классом материалов и якобы достигнутая ею сверхпроводимость проявлялась при совсем не комнатном давлении. Речь шла о гидриде лютеция, легированного азотом. По утверждению Диаса, материал превращался в сверхпроводник при давлении в диапазоне от 1,4 до 2,8 млн атмосфер. Важным здесь было давление при 15 °C, чего никогда в сходных условиях не удавалось получить. Но всё это оказалось подтасовкой. Что интересно, уже после отзыва первой статьи группа опубликовала вторую работу в 2023 году о достижении сверхпроводимости при 21 °C, которая также была впоследствии отозвана.

«Университет завершил тщательное расследование, проведенное группой учёных, не связанных с университетом и обладающих опытом в этой области, — говорится в заявлении представителя Университета Рочестера Сары Миллер (Sarah Miller) ресурсу The Verge. — Комитет в соответствии с политикой университета и федеральными правилами пришел к выводу, что Диас нарушил правила проведения исследований».

Не исключено, что в отношении учёного будут применены другие методы дисциплинарного взыскания и, в первую очередь, это будет относиться к переоценке его должности и трудовым обязанностям в университете. С этим разбираются соответствующие структуры этого учебного заведения.

Международная группа исследователей доказала существование природного нетрадиционного сверхпроводника. До сих пор такие сверхпроводники синтезировались в лаборатории, но этот оказался доступен в естественных условиях на Земле, что делает его перспективным для достижения экономически обоснованной сверхпроводимости во многих отраслях жизни, промышленности и экономики.

Кристалл миассита. Источник изображения: Paul Canfield

Открытие сделано после серии лабораторных тестов такого минерала, как миассит (Rh₁₇S₁₅). Это соединение родия и серы. Оно сочетает в себе тугоплавкость и летучесть и, как выяснилось, при охлаждении до сверхнизких температур даёт ещё сверхпроводимость, когда движению электронов (куперовским парам) через материал ничего не мешает.

К сверхпроводимости учёным приходится идти фактически наугад, поэтому открытие этого эффекта в хорошо известном материале тоже стало в некотором роде удачей. Точнее, о явлении сверхпроводимости в миассите было известно раньше, только он оказался ещё и нетрадиционным сверхпроводником.

К нетрадиционным сверхпроводникам относятся материалы, которые демонстрируют сверхпроводимость вне традиционной теории Бардина-Купера-Шриффера. Этот класс материалов даёт надежду на выявление материалов с высокотемпературной сверхпроводимостью, а распространение в природе миассита делает его поистине уникальным, что может сделать его применение экономически выгодным — только добывай и используй.

«Интуитивно вы думаете, что это нечто, созданное намеренно в ходе целенаправленных поисков, и оно никак не может существовать в природе, — пояснил суть открытия физик Руслан Прозоров из Университета штата Айова. — Но оказывается, что это так».

Учёные обосновали нетрадиционные свойства миассита, проверив его в лабораторных условиях специальными тестами от оценки проникновения слабых магнитных полей в материал до контролируемого создания дефектов, которые обычно создают очаги сверхпроводимости. Что интересно, миассит изучался для использования в квантовых компьютерах, но оказался интересен также для изучения сверхпроводимости.

«Раскрытие механизмов, лежащих в основе нетрадиционной сверхпроводимости, является ключом к экономически обоснованному применению сверхпроводников», — добавил учёный.

В серии из шести научных статей в мартовском выпуске журнала IEEE Xplore учёные Массачусетского технологического института рассказали о разработке и принципах работы новых электромагнитов на основе высокотемпературной сверхпроводимости. Эта разработка названа крупнейшим за последние 30 лет прорывом в области создания коммерчески выгодных термоядерных реакторов.

Источник изображений: MIT

Первые испытания масштабного прототипа высокотемпературного сверхпроводящего электромагнита состоялись 5 сентября 2021 года в лабораториях Центра науки о плазме и термоядерного синтеза Массачусетского технологического института (PSFC). Изделие массой около 9 тонн создало электромагнитное поле силой 20 тесла. Конструкция электромагнита была создана с нуля с использованием новых принципов и масштабные испытания должны были подтвердить правильность расчётов, моделей и самой идеи, которая на тот момент была крайне новаторской.

До появления этой разработки существующие на тот момент технологии и электромагниты уже могли создавать поля необходимой напряжённости, чтобы удерживать нагретую до 100 млн °C плазму в изоляции от стенок рабочей камеры. Однако эффективность работы подобных систем была далека от требований рентабельности. Учёные из MIT с коллегами из компании Commonwealth Fusion Systems смогли создать намного более компактные и дешёвые в производстве и поддержке электромагниты, которые позволили заявить об их впечатляющей энергоэффективности.

«За одну ночь это практически изменило стоимость ватта термоядерного реактора почти в 40 раз», как позже заявили участники эксперимента. «Теперь у термоядерного синтеза есть шанс, — утверждают учёные. — Наиболее широко используемая конструкция для экспериментальных термоядерных устройств, получила шанс стать экономичной, потому что у вас появились скачкообразные изменения в этой области». Это способность значительно уменьшить размер и стоимость объектов, которые сделали бы возможным термоядерный синтез.

Один из секретов успеха новой конструкции электромагнитов стал отказ от изоляции проводов в обмотках катушек. В это трудно поверить, но учёные использовали в обмотке голые провода без опасений пробоев и коротких замыканий. Эффект сверхпроводимости создал в обмотках такие условия, что замыканием между витками можно было пренебречь. Эксперимент подтвердил правильность выбора. Катушка электромагнита осталась надёжной и стала гораздо меньше в размерах, а также по стоимости и с точки зрения общего размера реактора.

В качестве обмотки был выбран высокотемпературный сверхпроводник REBCO — это редкоземельный оксид бария-меди, который позволяет достигать сверхпроводящего эффекта при температуре 20 К — это на 16 К выше обычной сверхпроводимости, что меняет правила игры несмотря на кажущуюся небольшую разницу в глубине охлаждения. На один электромагнит ушло 300 км полосы REBCO. Только представьте, сколько экономии пространства в катушке стало возможным благодаря отказу от изоляции этого провода. Кстати, в MIT не назвали поставщика этого провода, поэтому им вполне может оказаться китайский производитель Shanghai Superconductor, например.

Позже во время испытаний магнита на критических режимах были проверены теоретические модели его поведения вплоть до частичного разрушения (расплавления обмотки). Это было важно для улучшения конструкции и отработки эксплуатационных характеристик электромагнитов для использования в будущих термоядерных реакторах. Выход сегодня статей по разработке стал возможным после получения патентов на конструкцию электромагнитов и принципы их работы. Исследование приближает тот момент, когда на Земле может зажечься рукотворное Солнце, а энергия в электросетях станет бесконечной и практически чистой.

Группа китайских учёных сообщила о разработке и испытании мощного микроволнового оружия для поражения беспилотников, самолётов и даже спутников. Но самое удивительное, что электричество для него вырабатывают четыре установленных на грузовик двигателя Стирлинга. Благодаря этому боевая платформа потребляет всего 20 % от мощности, необходимой для питания альтернативного энергетического оружия и может непрерывно работать четыре часа.

Примерный внешний вид двигателя Стирлинга. Источник изображения: CSSC

Это первое открытое объявление о создании боевого микроволнового комплекса на двигателях Стирлинга. В Китае двигатели Стирлинга разрабатываются для электрической генерации в условиях космоса и замкнутых пространств, например, для подводных лодок. Эти двигатели работают с замкнутым объёмом рабочего тела и способны использовать для этого любое внешнее тепло.

В случае микроволновой пушки или излучателя установленные на автомобильную платформу четыре компактных двигателя Стирлинга не только вырабатывают электроэнергию, но также работают как холодильник, отводя тепло от сверхпроводящей катушки — сердца орудия. Катушка генерирует электромагнитное поле напряжённостью до 4 Тл (тесла). Это в 68 000 раз превышает напряжённость магнитного поля Земли и всего в два раза слабее, чем в недрах Большого адронного коллайдера. Стабильность и мощность электромагнитного поля, создаваемого сверхпроводящей катушкой, это залог штатной работы подобного вооружения.

Ограничением для работы двигателей Стирлинга была достаточно высокая допустимая нижняя граница охлаждения. Так, они перестают работать, когда до абсолютного нуля остаётся 40–50 °C. Чтобы совместить двигатели со сверхпроводящей магнитной катушкой, пришлось подбирать для её обмотки материалы с высокотемпературной сверхпроводимостью. В частности, подошла лента из материала ReBCO (редкоземельный оксид бария-меди).

Нюанс в том, что Китай закупал эту ленту американского производства. В 2018 году правительство США ввело запрет на поставку этой продукции в Китай и тому пришлось самостоятельно создавать производство этого материала. В Китае этим занялась компания Shanghai Superconductor. Менее чем за два года только она смогла ежегодно производить 400 км ленты, востребованной для целого спектра задач от вооружения до реакторов и маглевов. До конца 2024 года мощность производства будет повышена до 2000 км в год. Если верить китайским источникам, американские компании начали закупать эту ленту в Китае, отказавшись от поставщиков из США и других стран.

О своём достижении в разработке микроволнового оружия на двигателях Стирлинга учёные сообщили в статье в журнале High Power Laser and Particle Beams. За разработку отвечал сводный коллектив Северо-Западного института ядерных технологий в Сиане и Института электротехники Китайской академии наук в Пекине. Установка далека от совершенства, признаются разработчики. Однако она работает и может быть улучшена.

На сайте препринтов arХiv.org вышла статья, в которой китайские учёные рассказали о собственных опытах с нашумевшим «сверхпроводящим» материалом LK-99. Полученные в двух независимых китайских лабораториях образцы LK-99 продемонстрировали зыбкие признаки сверхпроводимости при более низкой температуре окружающей среды, но при обычном атмосферном давлении, так что возможно, нас ждёт продолжение нашумевшей истории, если, конечно, опыт удастся повторить.

Источник изображения: Adam Fenster/University of Rochester

Оригинальная работа южнокорейских исследователей наделала много шуму, поскольку вышла из научной среды в медийное пространство и стала жить собственной жизнью. Открытый учёными материал LK-99 якобы обладал сверхпроводимостью при температуре около 20 °C и нормальном атмосферном давлении. Это обещало в корне изменить энергетику, промышленность и даже медицину.

К сожалению, воспроизвести результат корейских учёных в других лабораториях не вышло. Точнее, всё было настолько туманно и неустойчиво, если говорить о проявлениях сверхпроводимости в LK-99, что работа была отозвана из научного журнала, а авторов обвинили в неумении проводить опыты и чуть ли не в малограмотности.

Тем не менее, LK-99 демонстрировал нечто, что не укладывалось в предыдущий опыт, и отдельные коллективы продолжили с ним работать. Так, китайские учёные показали, что материал может воспроизводиться, как и его заявленные свойства. Правда, судя по статье, учёные больше уделили внимание присутствию серы в образцах, тогда как в оригинальном LK-99 сера считалась загрязнителем.

Значительным отличием новых экспериментов стало то, что отдельные признаки сверхпроводимости проявились при температуре -23 °C (250 K), а не при плюсовой. Но это не страшно. Охладить оборудование и линии электропередач до -23 °C гораздо проще и дешевле, чем до более чем сотен градусов Цельсия, как это происходит сейчас для достижения сверхпроводимости. Самое главное, что материал подаёт признаки сверхпроводимости при обычном атмосферном давлении. Ранее были найдены материалы, которые демонстрировали сверхпроводимость при -20 °C, но только в случае колоссального давления.

В своей статье китайские учёные с осторожностью говорят о признаках сверхпроводимости. Они, вероятно, наблюдали эффект вытеснения электромагнитного поля из образцов при температуре -23 °C (эффект Мейснера) и при этом доказывают, что образцы не относятся к ферромагнетикам. Правда, учёные не уверены, что то, что они наблюдали является именно эффектом Мейснера, а не диамагнетизм. В прошлых исследованиях именно диамагнетизм приняли за сверхпроводимость, поэтому учёные сейчас не спешат делать громких заявлений, пока не будут получены новые результаты.

«Мы считаем, что ещё есть большой шанс наблюдать сверхпроводимость при комнатной температуре. Сигналы в нашем образце все ещё очень слабые, поэтому мы должны направить усилия на дальнейший синтез масштабируемых образцов с более активными компонентами», — подытожили учёные.

Группа физиков из Университета Вашингтона и Министерства энергетики США (DOE), похоже, открыла новую, контролируемую разновидность сверхпроводимости в экзотическом материале, похожем на кристалл. Его сверхпроводимость можно менять в зависимости от приложенной к нему деформации, вплоть до полного отключения. Одновременно с этим, по всей видимости, был побит рекорд по тому, насколько «горячим» может быть сверхпроводник с полевым эффектом, прежде чем он потеряет способность проводить электричество, не встречая никакого сопротивления.

Источник изображения: Henry Mühlpfordt, Wikipedia

В научной статье, опубликованной в журнале Science Advances, описывается синтетический кристаллоподобный сэндвич из ферромагнитного (европий) и сверхпроводящего материалов (арсенид железа), который демонстрирует возникающую сверхпроводимость при помещении вблизи достаточно сильного магнитного поля. Легированный кристалл EuFe2As2, а именно так называется материал из-за добавления молекул кобальта в процессе синтеза, использует преимущества сильного ферромагнетизма европия (Eu), чередующегося со сверхпроводящими слоями FeAs (арсенида железа) в конфигурации, напоминающей сэндвич.

В результате получается так называемый настраиваемый магнитным полем сверхпроводник — его сверхпроводимость можно активировать с помощью внешних магнитных полей. В случае легированного кристалла EuFe2As2 (с использованием специализированного оборудования и комбинации рентгеновских методов) исследовательская группа показала, как правильно выровненное внешнее магнитное поле уравновешивает магнитные поля, исходящие от ферромагнитных европиевых слоёв. Это позволяет переориентировать их — и как только первоначально хаотичные магнитные поля становятся параллельными сверхпроводящим, возникает состояние материи с нулевым сопротивлением.

Но у легированного кристалла EuFe2As2 есть ещё одно интересное свойство: его сверхпроводящие способности можно отключить даже в достаточно сильном магнитном поле. Всё, что для этого нужно, — деформировать материал с помощью криогенного тензорезистора — приложить давление с одной стороны (одноосное) с помощью специального промышленного поршня, сертифицированного для научных измерений. При этом изменяется степень сопротивления электронов при прохождении через него. При определённых уровнях деформации сверхпроводимость синтетического материала может быть повышена настолько, что для перехода в сверхпроводящее состояние не требуется внешнее магнитное поле. Но после определённого момента даже избыточное давление уже не позволяет запустить процесс.

Легированный кобальтом EuFe2As2 состоит из слоев ферромагнитных атомов (синий) и сверхпроводящих атомов (золотой). (B) Приложение небольшого магнитного поля вызывает сверхпроводимость, а (C) приложение деформации может вызывать или подавлять сверхпроводимость. Источник изображения: Argonne National Lab / University of Washington

Исследователи отметили трудности в процессе синтеза. Так, группа не смогла определить, что помешало получить в результате синтеза стабильные образцы EuFe2As2, легированного кобальтом; вместо этого они сообщили о «значительной вариативности образцов», где под вариативностью понимается наличие или отсутствие сверхпроводимости, вызванной полем. Исследователи также указали, что трудности, скорее всего, возникли на этапе легирования кобальтом, что подтверждает, насколько сложно контролировать квантовые процессы (например, химические реакции) на уровне точности, которого требуют некоторые из этих синтетических материалов, являющихся носителями сверхпроводимости.

Тонкие, субатомные изменения и взаимодействия элементов — это действительно всё, что требуется для превращения материала из полупроводника в сверхпроводник. Но за этой простотой скрывается сложное взаимодействие элементов, частиц и субатомных частиц, спинов, магнитных полей и многих других параметров, которые должны быть строго такими, как нужно — или, в случае с образцами в исследовании, находится при температуре между 4 и 10 Кельвинами.

Такой уровень разрешения и контроля за моментом «выключения» сверхпроводимости (что то же самое, что и момент «включения», но в особом, квантовом смысле) должен дать бесценные сведения о квантовой физике сверхпроводимости. По крайней мере, вновь открытый сверхпроводник может стать испытательным стендом для лучшего понимания самой сверхпроводимости. Исследование подводит к возможности увидеть молекулярный переход от обычной материи к её сверхпроводящей фазе и должна повысить нашу способность контролировать этот эффект и извлекать из него дальнейшую пользу. К примеру, это открытие может найти применение в сверхпроводящих цепях для промышленной электроники следующего поколения.

Загадочная физика так называемых странных металлов 40 лет ставит учёных в тупик. Проблески в понимании вопроса уже есть, но исследования продолжаются и открывают всё новые и новые необъяснимые свойства вещества. Свежее исследование показало, что электрический ток в странных металлах течёт с нарушением известной нам физики и учёные пока не понимают, почему это происходит.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 2.2/3DNews

Странные металлы условно занимают промежуточное положение между диэлектриками и проводниками. У них уже есть свободные электроны, способные переносить электрический заряд (обеспечить течение тока), но они пока ещё не становятся проводниками в полном смысле этого слова. Начать понимать природу странных металлов помог синтез квантовой и классической физики. В то же время он показал, что тот же эффект электрического тока, например, мы понимали, скорее всего, неправильно.

В основе современной теории электрического тока лежит перенос заряда квазичастицами, представленными коллективными действиями электронов. Дискретная природа электрического тока проявляется в случае так называемого дробного шума, когда ток в сети проявляется всплесками, а не в виде равномерного переноса заряда постоянной величины. Чтобы узнать, как ток течёт в странных металлах, учёные создали такие условия, чтобы можно было следить едва ли не за каждым электроном.

В основе измерительного стенда лежали нанопроводники из соединения иттербия, родия и кремния (YbRh₂Si₂) шириной 200 нм и длиной 600 нм. Это соединение относится к странным металлам и, как и прочие странные металлы, обладает нетипичными свойствами вблизи абсолютного нуля. Если бы электрический ток тёк через этот материал так, как мы представляем — дискретно группами коррелированных электронов в виде квазичастиц, то ничего странного не произошло бы. Однако в ходе эксперимента учёные убедились, что ток продолжал течь плавно без свойственных дробному шуму флуктуаций как вода по широкому жёлобу.

Говоря иначе, заряд отчасти передавался как будто без участия электронов, что представляется невероятным. Возможно, в металлах происходит всё то же самое, и носителем заряда служит нечто другое помимо электронов. Несомненно в этом проявляются квантовые эффекты, но каким образом, физикам ещё предстоит объяснить.

Ответ на этот вопрос поможет приблизить открытие сверхпроводимости при обычной температуре, ведь одним из коренных свойств странных металлов является совершенно отличное от металлов поведение удельного сопротивления вблизи абсолютного нуля. У металлов оно меняется скачком от нуля до высокого, а у странных металлов вместо скачка оно растёт постепенно и линейно. Дотянуть бы его небольшим до высоких температур, и будет всем счастье в энергетике.

Казалось бы, научное сообщество пришло к выводу, что материал LK-99 не проявляет свойств сверхпроводимости при комнатной температуре и атмосферном давлении, но некоторые учёные всё же продолжают исследования. В новой работе, опубликованной на портале arXiv, сообщается о квантовомеханическом моделировании возможных путей сверхпроводимости LK-99, подтверждающем такую возможность. Правда, результаты в статье предварительные и она ещё не прошла рецензирование.

Левитация немагнитного материала LK-99 в магнитном поле. Источник изображения: Hyun-Tak Kim

В исследовательской работе, написанной Цзюнь Ли (Jun Li) и Ци Анем (Qi An) с факультета материаловедения и инженерии университета штата Айова, сообщается о том, что текущий экспериментальный процесс синтеза LK-99 теоретически может привести к двум конечным продуктам с различными свойствами, зависящим от того, как атомы меди и кислорода заменяют атомы свинца в исходном материале — апатите свинца.

В некоторых образцах высокосимметричное расположение фундаментальных частиц может формировать пространство, через которое беспрепятственно и без сопротивления проходят электроны, путём соединения в так называемые куперовские пары. Однако из-за хаотичности образования этих симметричных областей, они обычно «заперты» внутри несверхпроводящих зон с низкой симметрией, которые блокируют свободное перемещение электронов.

Чрезвычайно низкое число «симметричных» расположений может объяснить сложности создания сверхпроводящих образцов при синтезе LK-99 — их образуется настолько мало, что сверхпроводящее поведение вообще не проявляется. Авторы исследования полагают, что «синтез образцов LK-99 преимущественно в фазе высокой симметрии может проложить путь к созданию сверхпроводников при комнатной температуре и атмосферном давлении».

Результаты исследования, дополненные другими теоретическими изысканиями в том то же направлении, демонстрируют насколько сложно иногда перейти от теории к практике. Теоретически LK-99 может обладать свойствами сверхпроводимости при комнатной температуре и атмосферном давлении, но на практике текущий процесс синтеза пока недостаточно проработан, чтобы получить требуемый конечный результат.

Соавторы статьи для журнала Nature, в которой описывалось открытие явления сверхпроводимости при комнатной температуре, попросили редакцию журнала отозвать исследование, аргументируя тем, что ведущий исследователь исказил данные. Соавторы утверждают, что физик из Рочестерского университета Ранга Диас (Ranga Dias) «действовал недобросовестно в отношении подготовки и подачи рукописи» и перечисляют многочисленные недостатки статьи.

Источник изображения: Adam Fenster/University of Rochester

«Мы со всем уважением просим журнал Nature опубликовать опровержение», — написали восемь из одиннадцати авторов скандальной статьи старшему редактору. Их просьба была удовлетворена, хотя Диас не собирается отказываться от результатов исследования. «Я никогда не занимался фальсификацией, манипулированием или искажением данных ни в одной из своих исследовательских работ», — заявил он. В начале сентября Диас обратился как минимум к шести соавторам, угрожая судебным иском за клевету. На его странице на сайте Университета Рочестера до сих пор опубликована информация о сделанном открытии.

В марте Диас и его команда попали в заголовки газет, сообщив, что редкоземельный металл лютеций, сжатый в азото-водородной среде, проявляет сверхпроводимость при температуре около 21° по Цельсию. Смелое заявление Диаса о сверхпроводимости при комнатной температуре сразу же было встречено в учёном мире со скептицизмом, который усилился по мере того, как сторонние исследователи внимательно изучали работу и пытались воспроизвести её результаты.

Источник изображений: rochester.edu

Согласно письму соавторов Диаса в журнал Nature, некоторые из них указывали Диасу на недостатки исследования ещё до отправки статьи в журнал. Соавторы утверждают, что их «опасения в основном были отклонены доктором Диасом, и некоторые из нас получили от доктора Диаса указание не углубляться в поднятые вопросы и/или не беспокоиться о таких опасениях».

Соавторы заявляют, что «В то время доктор Диас контролировал наши личные, академические и финансовые обстоятельства как наш наставник и руководитель», намекая на тот факт, что многие из них находились в зависимой ситуации от Диаса. Но также они признают, что Диас предлагал соавторам удалить свои имена из статьи, но они не сделали этого. Возможно, соблазн прославиться оказался слишком велик.

1 сентября журнал Nature уведомил читателей, что «достоверность данных, представленных в этой рукописи, в настоящее время находится под вопросом». Это уже третье за год опровержение статей, написанных под руководством Диаса. В августе журнал Physical Review Letters отозвал исследование, в котором описывались свойства соединения марганца. В сентябре прошлого года журнал Nature отозвал статью 2020 года, описывающую сверхпроводимость материала, содержащего углерод, серу и водород.

Другие учёные ранее обвиняли Диаса в плагиате частей его докторской диссертации, написанной в Университете штата Вашингтон. Пока это обвинение не подтверждено и не опровергнуто, ведётся расследование. Руководство Университета Рочестера, в свою очередь, обратилось к сторонним экспертам с поручением изучить исследования Диаса.

Казалось бы, что в деле об открытии якобы сверхпроводимости материала LK-99 при комнатных условиях поставлена точка. Достаточно авторитетные лаборатории попытались воспроизвести результаты южнокорейского открытия и потерпели крах. Отчасти в этом виноваты первооткрыватели «чудесного» материала, которые по каким-то причинам не смогли внятно описать порядок проведения опытов. Более того, они продолжают настаивать на сверхпроводимости LK-99.

Левитация немагнитного материала LK-99 в магнитном поле. Источник изображения: Hyun-Tak Kim

Сообщается, что первооткрыватели соединения LK-99 изменили текст патентной заявки. На английском языке тест пока отсутствует, а машинный перевод с корейского не даёт до конца понять все нюансы. Но представленные в патенте графики не дают сомневаться в том, что учёные обнаружили в материале LK-99 (апатите свинца, легированном медью с примесями) свойства, которые можно соотнести со сверхпроводимостью. В частности, после критической температуры около 105 °C удельное сопротивление материала скачком увеличивается от почти нулевого до весьма значительного.

Независимые исследователи критиковали этот момент, утверждая, что это температура фазового перехода сульфата меди, который естественным образом сопровождается скачком в сопротивлении материала току, а никакая не критическая температура эффекта сверхпроводимости. Но южнокорейские учёные смотрят на это со своей позиции, утверждая, что примеси важны для эффекта сверхпроводимости, но проявляют себя по-иному.

График изменения удельного сопротивления материала LK-99 в зависимости от температуры

В изменённом тексте патентной заявки предложены изменённые методики по синтезу LK-99. Впрочем, по первому мнению сторонних специалистов, лучше они от этого не стали. Например, теперь в процессе появились примеси кремния и железа. Также первооткрыватели материала рекомендуют прибегать к синтезу не из твёрдых фаз смесей, когда в герметичной пробирке последовательно спекаются порошки составляющих материалов, а из паровой фазы в процессе осаждения. При осаждении на стенках пробирки возникают плёнки с разным процентным содержанием примесей от богатых до бедных. Комнатной сверхпроводимостью, утверждают корейцы, обладают только плёнки, полученные в средней части области осаждения.

Авторы признают, что полученное соединение свинца с апатитом, как правило, является изолятором. Но при этом они продолжают утверждать, что легирование медью, которое приводит к замещению атомов свинца атомами меди в LK-99, является ключевым для раскрытия заявленной способности к сверхпроводимости. Согласно обновленному документу, команда наблюдала образцы, в которых соотношение сверхпроводящего апатита свинца составляло 48,9 %, не сверхпроводящих соединений свинца — 40 %, а соединений меди — 11,1 %.

Примерно равные доли «сверхпроводящих» соединений и не являющихся таковыми ведут к тому, что материал левитирует в магнитном поле лишь частично — только той стороной, где «сверхпроводящих» частей больше. Этим учёные объясняют отсутствие чистого эффекта Мейсснера. Подобная неопределённость могла помешать независимым группам обнаружить в материале LK-99 сверхпроводимость.

Также особенности материала, соглашаются авторы, создают островки магнетизма и диамагнетизма. Это могло показать ложную левитацию и создать впечатление, что авторы принимают за сверхпроводимость естественный магнетизм. В то же время наличие островков намагниченности также могло помешать обнаружить настоящий эффект Мейсснера (левитацию).

Интересно, что южнокорейских коллег продолжают поддерживать некоторые учёные из других лабораторий. Например, болгарские исследователи рассмотрели возможность сверхпроводимости LK-99 и нашли её теоретически возможной, хотя не стали утверждать, что она достигается при комнатной температуре и обычном давлении. Теоретики пока не отбросили идею сверхпроводимости LK-99 и, похоже, на эту тему выйдет ещё немало статей.