Американские физики приблизились к разгадке тайны сверхпроводимости – одного из самого многообещающего свойства некоторых веществ. Это открытие может революционным образом изменить современную систему энергетики – если учёные смогут создать сверхпроводники, работающие при температуре, близкой к комнатной.

Напомним, что представляет собой сверхпроводимость. Это явление открыл в далёком 1911 году голландский учёный Хейке Камерлинг-Оннес при исследовании свойств веществ при низких температурах – за эти исследования в 1913 году ему была присуждена Нобелевская премия по физике. В ходе экспериментов обнаружилось, что некоторые вещества, в частности, ртуть, олово, свинец и таллий, при охлаждении до температуры ниже 20 K (при температуре жидкого гелия, на 20 градусов Кельвина выше абсолютного нуля) полностью теряют электрическое сопротивление и могут проводить электрический ток без каких-либо потерь. При повышении температуры это явление исчезало – как и при воздействии сильных токов и магнитных полей. В общем приближении эффект сверхпроводимости объясняется довольно просто: направленному движению электронов в проводнике в обычном состоянии мешают случайные колебания атомов, а при уменьшении температуры эти колебания становятся меньше, и электроны встречают всё меньше препятствий на своём пути.

На протяжении последних двадцати лет учёные пытались выяснить, почему явление сверхпроводимости возникает лишь при температурах чуть выше абсолютного нуля. Было зафиксировано состояние так называемой псевдощели – диапазон температур, при котором сверхпроводники теряют свои свойства. При этом в веществе на молекулярном уровне происходят какие-то изменения, но до последнего времени все попытки установить характер этих явлений были неудачными.

Физики, работающие на Министерство энергетики США, возможно, нашли решение загадки. Экспериментируя со сверхпроводниками из оксида меди, учёные заметили изменения в поведении электронов, которые происходят только при прохождении псевдощелевого состояния. В частности, было отмечено, с какой лёгкостью электроны могут перепрыгивать из атомов меди и кислорода на иглу туннельного сканирующего микроскопа. Описание этого эксперимента было опубликовано 15 июля 2010 года в журнале Nature.

Оксид меди относится к так называемым высокотемпературным сверхпроводникам, открытым в 1986 году – эти вещества получают свойства сверхпроводимости при температуре около 90 градусов Кельвина – на 90 градусов выше абсолютного нуля. Представьте кристаллическую структуру оксида меди: повторяющиеся один за другим модули из атома меди в центре решётки, одного атома водорода над ним и одного – слева от него. В каждом таком модуле, по словам руководителя проекта Симуса Дэвиса, способность туннелирования электронов из «верхнего» атома кислорода значительно сильнее способности туннелирования электронов из «левого» атома.

Обнаружение такого явного нарушения симметрии имеет большое значение – в истории науки масса прецедентов, когда подобная асимметрия в корне меняла привычные представления об окружающем мире. К примеру, открытие асимметрий в жидких кристаллах позволило разработать способ управлять ими, благодаря чему были созданы широко распространённые сегодня жидкокристаллические экраны.

Специалисты рассчитывают, что обнаружение асимметрии кристаллической решётки в фазе псевдощели будет иметь не менее важное значение. В настоящее время продолжается поиск подобных нарушений симметрии в других сверхпроводниках из оксида меди. Одновременно учёные пытаются установить, каким образом эта ассимметрия влияет на движение электронов и, как это движение, в свою очередь, отражается на свойстве сверхпроводимости. Знание этого механизма позволит понять, как изготовить материалы, обладающие высокотемпературной сверхпроводимостью, то есть проявляющие нулевое электрическое сопротивление при комнатной температуре.

Сегодня для получения свойств сверхпроводимости требуются сложные системы охлаждения, что делает невозможным широкое применение сверхпроводников. Создание веществ, способных сохранять свойство сверхпроводимости без охлаждения до очень низких температур, будет иметь поистине революционное значение для технологий будущего. Использование таких материалов кардинально повысит эффективность энергораспределительных сетей и сделает энергетику завтрашнего дня значительно экономичней. Более того, возбуждённый в замкнутом контуре сверхпроводников ток может циркулировать по нему без потерь в течение миллионов лет, что отчасти было подтверждено ещё экспериментами Камерглинга-Оннеса, который в 1924 году смоделировал появление незатухающего тока в кольце из двух контактирующих сверхпроводников.

Из сверхпроводников можно будет построить магниты высочайшей мощности, способные с лёгкостью поднимать любые грузы. Известно, что всем сверхпроводникам присущ так называемый эффект Мейснера, заключающийся в том, что если поместить магнит над сверхпроводником, то этот магнит будет висеть в воздухе. Дело в том, что сверхпроводник непроницаем для магнитного поля, и он как бы выталкивает его, искажая силовые линии магнита. К тому же магнит создаёт в сверхпроводнике своё «зеркальное отражение» и отталкивается от него. Благодаря эффекту Мейснера и высокотемпературным сверхпроводникам в будущем получат самое широкое распространение скоростные бесконтактные транспортные средства, которые быстро отправят на свалку истории железнодорожный и другой рельсовый транспорт, пришедший к нам из начала XIX века.

Сверхпроводимость при комнатной температуре – одно из важнейших направлений исследований в современной физике твёрдого тела. Понимание процессов, происходящих в веществе в состоянии псевдощели, приближает момент, когда секрет этого явления будет, наконец, раскрыт.

Автор: Олег Нечай