С момента своего открытия, более века назад, сверхпроводимость стала играть важную роль во многих современных технологиях, таких как поезда на магнитной подушке или МРТ-сканирование.

 

Исследователи экспериментируют со сверхпроводниками и в высокопроизводительных генераторах для ветряных турбин. Но их применяемость все еще ограничена необходимостью громоздкой криогеники. Обычные сверхпроводники работают при атмосферном давлении, но только при очень низких температурах. Даже самые сложные из них - керамические материалы на основе оксида меди - работают только при температуре ниже -140 ° C. Сверхпроводники, работающие при комнатной температуре, могут иметь большое технологическое влияние, например, в электронике, которая работает быстрее без перегрева.

сверхпроводник,  сверхпроводимость, водород, углерод, сера, комнатная температура, высокотемпературная проводимость, проводимость, полупроводник, магнит, МРТ
Физик Ранга Диас из Рочестерского университета в Нью-Йорке вместе с Саламатом и другими сотрудниками поместил смесь углерода, водорода и серы в микроскопическую нишу, которую они вырезали между кончиками двух алмазов. Затем они инициировали химические реакции в образце с помощью лазерного излучения и наблюдали, как формируется кристалл. Когда была снижена экспериментальная температура, сопротивление току, проходящему через материал, упало до нуля, указывая на то, что образец стал сверхпроводящим. Затем ученые увеличили давление и обнаружили, что этот переход происходит при все более высоких температурах.

Новое исследование, опубликованное в журнале Nature 14 октября, «кажется убедительным доказательством высокотемпературной проводимости», - говорит физик Михаил Еремец из Химического института Макса Планка в Майнце, Германия, - хотя он «хотел бы увидеть не только сырые данные».

 

Еремец добавляет, что это исследование развивает и подтверждает направление работы, начатое им в 2015 году, тогда его группа сообщила о первом высокотемпературном сверхпроводнике под высоким давлением - соединении водорода и серы, которое имело нулевое сопротивление до -70°C.

 

 

В 2018 году, соединенные под высоким давлением водород и лантан показали сверхпроводимость при -13 °C. Но последний результат означает, что впервые такая сверхпроводимость была обнаружена в соединении трех элементов.

Материалы, которые обладают сверхпроводимостью при высоких, но не экстремальных давлениях, уже можно использовать, - говорит Мэддури Сомаязулу, специалист по материалам высокого давления из Аргоннской национальной лаборатории в Лемонте, штат Иллинойс. Исследование показывает, что, «разумно выбрав третий и четвертый элементы» в сверхпроводнике, можно, в принципе, снизить его рабочее давление.

Эта работа также подтверждает сделанные несколько десятилетий назад предсказания физика-теоретика Нила Эшкрофта из Корнельского университета в Итаке, штат Нью-Йорк, о том, что богатые водородом материалы могут иметь сверхпроводимость при температурах, намного превышающих возможные.

 

В настоящее время большая часть производимой энергии теряется в виде тепла из-за электрического сопротивления.

сверхпроводник,  сверхпроводимость, водород, углерод, сера, комнатная температура, высокотемпературная проводимость, проводимость, полупроводник, магнит, МРТ
В США электрические сети теряют более 5% своей энергии в процессе передачи. Таким образом, устранение этой потери потенциально может сэкономить миллиарды долларов и повлиять на климат.
 

 

Ранга Диас из Университета Рочестера описывает сверхпроводимость при комнатной температуре как «святой Грааль» физики конденсированного состояния, в исследовании, опубликованном на этой неделе, его команда сделала значительный шаг к этой цели. Исследователи потратили годы на эксперименты с различными материалами в поисках сверхпроводников при комнатной температуре, таких как оксиды меди и химические вещества на основе железа и добились успеха именно с широко распространенным водородом.

 

«Чтобы иметь высокотемпературный сверхпроводник, вам нужны более прочные связи и легкие элементы», - говорит он. «Это два основных критерия. Водород - самый легкий материал, а водородная связь - одна из самых прочных».

Одним из недостатков этого подхода является то, что чистый водород может быть преобразован в металлическое состояние только при чрезвычайно высоких давлениях, поэтому команда вместо этого обратилась к альтернативным материалам, которые богаты водородом, но сохраняют желаемые сверхпроводящие свойства и могут быть металлизированы при гораздо более низких давлениях.

сверхпроводник,  сверхпроводимость, водород, углерод, сера, комнатная температура, высокотемпературная проводимость, проводимость, полупроводник, магнит, МРТ
Магнит плавает над сверхпроводником, охлаждаемым жидким азотом. Исследователи обнаружили некоторые доказательства того, что кристалл испускает свое магнитное поле при температуре перехода, что является важным тестом на сверхпроводимость. 

Формула сверхпроводящиго материала включает смесь водорода, углерода и серы, была использована для синтеза углеродсодержащего гидрида серы органического происхождения в исследовательском устройстве высокого давления, называемом ячейкой с алмазной наковальней. Этот углеродистый гидрид серы продемонстрировал сверхпроводимость при температуре около 14,5°C.

 

 

Однако, это свойство проявляется только при чрезвычайно высоком давлении в 267 миллиардов Паскалей, что примерно в миллион раз выше, чем типичное давление в шинах. Это явно ограничивает его практическую полезность.

 

сверхпроводник,  сверхпроводимость, водород, углерод, сера, комнатная температура, высокотемпературная проводимость, проводимость, полупроводник, магнит, МРТ
Лаборатория сверхпроводимости в Университете Рочестера, Нью-Йорк.

«Мы живем в обществе полупроводников, и с помощью такого рода технологий вы можете превратить общество в сверхпроводящее, где вам больше никогда не понадобятся такие вещи, как батареи», - говорит Ашкан Саламат из Университета Невады в Лас-Вегасе, соавтор исследования.

 

Исследователи говорят, что разработка способа производства сверхпроводящего материала при гораздо более низких давлениях будет ключом к производству его в полезных количествах по разумной цене. Они также отмечают, что точная настройка состава ингредиентов может обеспечить сверхпроводимость при еще более высоких температурах.

 

На видео показана камера внутри ячейки с алмазной наковальней, если смотреть в осевом направлении через верхний алмаз. Первоначально образец состоит из углерода и серы, он показан в виде черного порошка, находящегося в среде, богатой водородом. Образец имеет давление 4 ГПа и освещается 10 мВт лазерным светом с длиной волны 532 нм в течение нескольких минут, чтобы инициировать и завершить фотохимическую реакцию с образованием твердого вещества, образец выращен подобно монокристаллу.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.

Новости о науке, технике, вооружении и технологиях.

Подпишитесь и будете получать свежий дайджест лучших статей за неделю!