Аннотация:
Сверхпроводимость при комнатной температуре всегда была одной из важнейших исследовательских целей в физике конденсированного состояния. Если сверхпроводимость может быть достигнута при обычных температурах окружающей среды, это может привести к серьезным изменениям в таких областях, как передача энергии, транспортировка на магнитной подушке, хранение энергии и квантовые вычисления. Исследовательская группа из Утрехтского университета в Нидерландах, Лейденского университета в Нидерландах и Мюнхенского университета в Германии недавно добилась важного прогресса:
Они обнаружили, что в некоторых высокотемпературных сверхпроводящих материалах явление спаривания электронов, необходимое для формирования сверхпроводимости, может сохраняться до комнатной температуры. Это означает, что ключевым фактором, мешающим материалам достичь сверхпроводимости при комнатной температуре, может быть не неспособность электронов образовывать пары, а неспособность этих электронных пар двигаться скоординировано.
Сверхпроводимость — особое физическое состояние. Когда материал становится сверхпроводящим, ток может течь через него без сопротивления, поэтому энергия не теряется из-за сопротивления, как в обычных проводниках. В 1911 году учёные впервые открыли явление сверхпроводимости. Однако для работы традиционные сверхпроводящие материалы обычно необходимо охлаждать до чрезвычайно низких температур. Многие материалы даже требуют использования жидкого гелия, чтобы снизить температуру примерно до минус 260 градусов по Цельсию. Эта дорогостоящая и сложная потребность в охлаждении серьезно ограничивает широкомасштабное применение сверхпроводниковой технологии.
В середине 1980-х годов ученые обнаружили ряд материалов, которые могли проводить сверхпроводимость при значительно более высоких температурах, некоторые из которых имели критическую температуру сверхпроводимости около минус 173 градусов по Цельсию. Хотя эта температура все еще намного ниже комнатной, она выходит за температурный предел традиционных сверхпроводящих материалов, а также поднимает новые теоретические проблемы: теории, объясняющие традиционную низкотемпературную сверхпроводимость, не могут полностью объяснить, почему эти высокотемпературные сверхпроводящие материалы могут работать.
Это исследование посвящено двум обязательным условиям формирования сверхпроводимости.
Первое условие — спаривание электронов. Обычно электроны взаимодействуют друг с другом, а в определенных материалах и средах два электрона могут образовывать связанное состояние, называемое куперовской парой. Это спаривание является важной основой формирования сверхпроводимости.
Второе условие — фазовая когерентность. Даже если электроны образовали пару, это не означает, что материал обязательно перейдет в сверхпроводящее состояние. Электронные пары также должны образовывать скоординированное квантовое состояние, как партнеры в танцевальной команде. Мало того, что каждый член пары должен работать вместе, но все участники также должны поддерживать один и тот же ритм. Только когда большое количество электронных пар могут двигаться вместе скоординировано, материал может проявлять истинные сверхпроводящие свойства.
В традиционных низкотемпературных сверхпроводящих материалах спаривание электронов и фазовая когерентность обычно происходят одновременно, когда температура снижается вблизи критической точки. Но исследователи обнаружили, что эти два процесса в высокотемпературных сверхпроводящих материалах можно отделить друг от друга. Электроны способны образовывать пары заранее, намного выше критической температуры сверхпроводимости, и оставаться в этом состоянии даже при комнатной температуре.
Исследовательская группа считает, что это показывает, что взаимодействие, поддерживающее спаривание электронов, достаточно сильное, поэтому даже если температура повысится до комнатной, электронная пара не распадется сразу. Что действительно ограничивает образование сверхпроводимости, так это второе условие: могут ли эти электронные пары установить фазовую когерентность.
Ингмар Сварт, один из руководителей исследований и ученый из Утрехтского университета, заявил, что это открытие имеет большое значение, поскольку исследовательская группа доказала, что одно из двух ключевых условий, необходимых для формирования сверхпроводимости при комнатной температуре, может быть достигнуто при комнатной температуре. Если спаривание электронов просто невозможно поддерживать при комнатной температуре, то усилия по поиску сверхпроводящих материалов при комнатной температуре будут фундаментально ограничены с самого начала. Теперь, когда это препятствие еще более устранено, исследователи могут более интенсивно изучать, как именно формируется фазовая когерентность и что мешает ее возникновению при более высоких температурах.
Прогресс этого исследования тесно связан с новым измерительным оборудованием, разработанным самими исследователями. Традиционным методам измерения часто бывает трудно четко определить, переносится ли ток одним электроном или электронами, образовавшими пару. Новое устройство, разработанное исследовательской группой, может различать эти два тока, что позволяет им напрямую изучать температурный диапазон, в котором происходит спаривание электронов внутри материала, и то, как это связано со сверхпроводящим состоянием.
Материалом, использованным в исследовании, является высокотемпературный сверхпроводник на основе оксида меди, в частности, материал на основе оксида висмута, стронция, кальция, меди. Измерив его энергетические характеристики электронов, исследователи обнаружили соответствие между явлением, ранее известным как псевдощель (Pseudogap), и энергией, необходимой для спаривания электронов. Это обеспечивает новую экспериментальную основу для понимания механизма спаривания электронов в высокотемпературной сверхпроводимости.
Соответствующая исследовательская работа называется «Эквивалентность псевдощели и энергии спаривания в купратном высокотемпературном сверхпроводнике» и была опубликована в журнале Science 5 ноября 2026 года. Основными авторами статьи являются Цзясен Ню и Майален Ортего Ларрасабаль, а исследование было завершено в сотрудничестве с учеными из Утрехтского университета, Лейденского университета, Мюнхенского университета и других учреждений.
Однако это открытие не означает, что ученые создали сверхпроводящие материалы при комнатной температуре. Исследователи не продемонстрировали, что какой-либо материал может достигать нулевого сопротивления при комнатной температуре, а также не продемонстрировали сверхпроводящие схемы, которые могут работать при комнатной температуре. Настоящий прорыв произошел, когда они обнаружили, что необходимое условие для спаривания электронов может существовать при комнатной температуре, что еще больше сузило масштаб проблемы, которую необходимо решить при поиске сверхпроводников при комнатной температуре.
Далее исследовательская группа сосредоточится на изучении фазовой когерентности, пытаясь выяснить, почему электронные пары могут образовываться при комнатной температуре, но не могут координировать свое движение при той же температуре. Если бы они смогли найти способ контролировать этот процесс, они могли бы разработать новые материалы, способные проводить сверхпроводимость при более высоких температурах.
С точки зрения исследовательской значимости важнейшая ценность этого достижения заключается не в немедленном создании нового сверхпроводящего материала, а в том, чтобы помочь ученым точнее понять физический механизм высокотемпературной сверхпроводимости. За последние несколько десятилетий исследования сверхпроводимости при комнатной температуре были ограничены неполными теоретическими объяснениями. Теперь спаривание электронов и фазовую когерентность можно изучать отдельно, что дает более четкое направление для следующего этапа проектирования материалов и экспериментальных исследований.
Комментарии