Это одна из самых захватывающих гонок в современной физике: как можно создать лучшие сверхпроводники, которые остаются сверхпроводящими даже при самых высоких температурах и давлении окружающей среды?
В последние годы с открытием никелатов началась новая эра сверхпроводимости.
Эти сверхпроводники основаны на никеле, поэтому многие ученые говорят о «никелевом веке исследований сверхпроводимости». Никелаты во многом схожи с купратами на основе меди, открытыми в 1980-х годах.
Но теперь в игру вступает новый класс материалов: в сотрудничестве между TU Wien и университетами Японии стало возможным более точно моделировать поведение различных материалов на компьютере, чем раньше.
Существует «зона Златовласки», в которой сверхпроводимость работает особенно хорошо. И эта зона достигается не никелем и не медью, а палладием. Это может открыть новую «эру палладатов» в исследованиях сверхпроводимости. Результаты опубликованы в научном журнале Physical Review Letters.
Поиск более высоких температур перехода
При высоких температурах сверхпроводники ведут себя очень похоже на другие проводящие материалы.
Но когда их охлаждают ниже определенной «критической температуры», они резко меняются: их электрическое сопротивление полностью исчезает, и они вдруг могут проводить электричество без каких-либо потерь. Этот предел, при котором материал переходит из сверхпроводящего состояния в нормальное проводящее, называется «критической температурой».
«Теперь мы смогли рассчитать эту «критическую температуру» для целого ряда материалов. Благодаря нашему моделированию на высокопроизводительных компьютерах мы смогли предсказать фазовую диаграмму никелатной сверхпроводимости с высокой степенью точности, как показали эксперименты.
затем показали позже», — говорит профессор Карстен Хельд из Института физики твердого тела Венского технического университета.
Многие материалы становятся сверхпроводящими только при температуре чуть выше абсолютного нуля (-273,15 °C), в то время как другие сохраняют свои сверхпроводящие свойства даже при гораздо более высоких температурах.
Сверхпроводник, который все еще остается сверхпроводящим при нормальной комнатной температуре и нормальном атмосферном давлении, коренным образом изменит то, как мы производим, транспортируем и используем электричество. Однако такой материал до сих пор не обнаружен. Тем не менее высокотемпературные сверхпроводники, в том числе из класса купратов, играют важную роль в технике — например, в передаче больших токов или в создании чрезвычайно сильных магнитных полей.
Медь?
Никель? Или палладий? Поиск наилучших сверхпроводящих материалов затруднен: возникает множество различных химических элементов. Вы можете объединить их в разные структуры, вы можете добавить крошечные следы других элементов, чтобы оптимизировать сверхпроводимость.
«Чтобы найти подходящих кандидатов, вы должны понимать на квантово-физическом уровне, как электроны взаимодействуют друг с другом в материале», — говорит профессор Карстен Хельд.
Это показало, что существует оптимум силы взаимодействия электронов.
Взаимодействие должно быть сильным, но и не слишком сильным. Между ними находится «золотая зона», которая позволяет достичь самых высоких температур перехода.
Палладаты как оптимальное решение
Эта золотая зона взаимодействия сред не может быть достигнута ни с купратами, ни с никелатами — но можно попасть в яблочко с новым типом материала: так называемыми палладатами.
«Палладий находится на одну строчку ниже никеля в периодической таблице. Свойства аналогичны, но электроны там в среднем несколько дальше от ядра атома и друг от друга, поэтому электронное взаимодействие слабее», — говорит Карстен Хельд.
Модельные расчеты показывают, как достичь оптимальных температур перехода для палладиевых данных.
«Результаты вычислений очень многообещающие, — говорит Карстен Хелд. «Мы надеемся, что теперь мы сможем использовать их для начала экспериментальных исследований. Если у нас будет совершенно новый, дополнительный класс материалов, доступных с палладатами, чтобы лучше понять сверхпроводимость и создать еще лучшие сверхпроводники, это может продвинуть вперед всю область исследований».
Источник: Motoharu Kitatani, Liang Si, Paul Worm, Jan M. Tomczak, Ryotaro Arita, Karsten Held. Optimizing Superconductivity: From Cuprates via Nickelates to Palladates. Physical Review Letters, 2023; 130 (16) DOI: 1103/PhysRevLett.130.166002