Учените счупиха 30-годишен рекорд, постигайки свръхпроводимост при -123°C

В продължение на повече от 30 години една цифра се явяваше като непреодолима пречка в изследванията в областта на свръхпроводимостта: 133 Келвина, или около -140 градуса по Целзий. Въпреки десетилетия на усилия, нито един материал не успя да прояви свръхпроводимост при по-висока температура, докато оставаше под нормално налягане.

Изследователи от Университета в Хюстън и Националната лаборатория „Аргон“ (ANL) подобриха този десетилетен рекорд. Като подложиха за кратко време медно-оксиден свръхпроводник на екстремно налягане и след това бързо го освободиха, те постигнаха свръхпроводимост при 151 Келвина (-123,3 градуса по Целзий) при нормално налягане.

Този рекорд е важен, защото свръхпроводниците могат да пренасят електричество без съпротивление, което потенциално елиминира енергийните загуби в електроенергийните мрежи и позволява създаването на по-мощни магнити, квантови технологии и системи за термоядрен синтез. Въпреки това повечето свръхпроводници работят само при изключително ниски температури, докато малкото, които се доближават до стайна температура изискват огромно налягане, което ги прави неприложими извън лабораторни условия.

Новият резултат подсказва, че налягането може би не е задължително условие. Като задържаха свръхпроводника в състояние, променено от налягането, изследователите запазиха повишението на температурата, което обикновено изчезва в момента, в който налягането спре. Ето как учените са го постигнали:

Екипът работи с медно-оксиден свръхпроводник, наречен Hg-1223 – същият материал, който държи рекорда при атмосферно налягане от началото на 90-те години. Изследователите подложиха миниатюрни проби в диамантена клетка на налягане до почти 30 гигапаскала – приблизително 300 пъти по-високо от налягането на дъното на океана. При тези условия температурата на свръхпроводимост на материала се повиши значително. Ключовият етап настъпи след компресията. Вместо бавно да върнат материала към нормални условия, изследователите бързо освободиха налягането, като същевременно поддържаха пробата студена.

Този процес на бързо освобождаване на налягането задържа материала в метастабилно състояние, като попречи на атомната му структура да се върне напълно към нормалното състояние. В резултат на това пробата запази свръхпроводимост при 151 Келвина дори след пълното премахване на налягането, надминавайки предишния рекорд с 18 келвина. Побиването на рекорда беше само половината от предизвикателството. Изследователите искаха също да разберат защо материалът запази подобрените си свойства след декомпресията.

За целите на изследването екипът използва „Advanced Photon Source“ в Националната лаборатория „Аргон“. Високофокусираните рентгенови лъчи на уреда им позволиха да изследват фините структурни промени в материала по време на процеса на бързо понижаване на налягането. Измерванията показаха, че бързото освобождаване на налягането оставя след себе си множество микроскопични дефекти в кристалната структура. Обикновено такива дефекти се считат за несъвършенства, но в този случай изглежда, че те спомагат за стабилизирането на свръхпроводящото състояние.

Резултатите сочат, че материалът запазва структурна памет за средата с високо налягане. Вместо да се върне напълно към първоначалната си форма, той запазва достатъчно от предизвиканото от налягането подреждане, за да поддържа свръхпроводимостта при по-високи температури. Новият рекорд не премахва необходимостта от охлаждане, а материалът все още работи далеч под стайна температура. Изследването обаче показва, че свръхпроводимостта, подсилена от налягането може да се запази и след премахването на налягането – резултат, към който много изследователи отдавна се стремяха.

За разлика от свръхпроводниците, които изискват постоянно екстремно налягане, новият материал вече може да бъде изследван при обичайни лабораторни условия. Това би улеснило изследователите да проучат механизмите, стоящи зад неговото поведение и да изследват потенциалните му приложения. Следващата стъпка е да се определи дали същата стратегия може да се приложи към други свръхпроводници, включително материали, които достигат още по-високи температури на преход под налягане. Ако се окаже успешен, този подход би могъл да предостави практически път към свръхпроводници, които работят при все по-обичайни условия.