Тридцать лет, прошедшие после открытия высокотемпературной сверхпроводимости, не очень-то продвинули нас в понимании её теоретических механизмов, а без этого создание и внедрение практичных материалов такого рода невозможно. Но, похоже, в конце длинного туннеля всё же забрезжил свет…

Вера Смолянинова из Тоусонского и Игорь Смолянинов из Мэрилендского университетов (оба — США) намереваются производить новые высокотемпературные сверхпроводники на основе метаматериалов — искусственных структур с необычными параметрами — вроде тех, что уже пытаются использовать для создания плащей-невидимок и суперлинз.

Такой материал должен совмещать в себе обычный низкотемпературный сверхпроводник и диэлектрик.

Рис. 1. Неужели мы наконец-то получим сверхпроводник, способный работать с большими плотностями тока уже при температуре жидкого азота? (Фото Charles D. Winters / Science Photo Library.)

Работа американских учёных вдохновлена теоретическим описанием сверхпроводимости, изложенным в 1973 году советским физиком Давидом Киржницем и группой его коллег: сила взаимодействия между электронами в сверхпроводнике обратно пропорциональна диэлектрической проницаемости (ε).

Прежде чем продолжать, слегка отвлечёмся.

Обычная сверхпроводимость возникает, когда электроны в проводнике взаимодействуют так сильно, что формируют пары. Как только интенсивность взаимодействия падает ниже критической точки (в большинстве случаев — не теплее 140 К), сверхпроводимость исчезает.

Метаматериалы сегодня используются для создания покрытий с отрицательным показателем преломления. Но что если сознательно сделать их такими, чтобы они показывали отрицательную диэлектрическую проницаемость, и именно это качество материала «заострить» до крайности?

В своём препринте Смоляниновы полагают, что

при диэлектрической проницаемости около нуля (ε-near-zero, ENZ, как они это называют) ENZ-метаматериалы могут послужить новой дорогой в этом направлении. Конструктивно они должны быть смесью диэлектрических компонентов и металлов, таких как ртуть и свинец, являющихся сверхпроводниками при температурах ниже 10 К.

Согласно авторам, для этого в такие металлы надо случайным образом включить наночастицы из диэлектрика (они предлагают титанат стронция), расстояния между которыми были бы меньше типичного для пар электронов в обычных сверхпроводниках.

В данном случае это около 100 нм, и именно поэтому лучше использовать титанат стронция, благо есть методы производства его наночастиц особо малых размеров.

Есть и альтернативный «гиперболический» подход: металлы из указанного ряда можно переложить слоями из диэлектриков со сходным шагом между слоями, но такой метаматериал произвести будет несколько сложнее. По идее, он сходен с уже используемым диборидом магния. Однако выдержать нужную толщину отдельных слоёв и адаптировать послойные материалы к свинцу или ртути будет не так уж просто.

Хотя всё это — пока лишь многообещающий теоретический подход, в качестве следующего шага исследователи заявляют его реализацию в экспериментах.

«Мы разрабатываем такие метаматериалы и сейчас готовим соответствующие опыты», — поясняет Вера Смолянинова.

По всей видимости, первыми будут образцы высокотемпературных сверхпроводников с наноточками, и только потом появятся более сложные «гиперболические» метаматериалы-сверхпроводники.

Рис. 2. Сравнение кристаллографического образца купратных сверхпроводников (а) и геометрии многослойного гиперболического метаматериала (b), предложенного исследователями (иллюстрация Igor I. Smolyaninov, Vera N. Smolyaninova).

Конечная цель учёных — поднятие температуры таких сверхпроводников выше точки кипения азота. Иные из вас непременно спросят: зачем, когда уже есть сверхпроводники на керамике, в принципе работающие при этой температуре? Однако плотность тока в них невелика, в то время как у металлов — «стандартных» сверхпроводников она зачастую значительно выше, что позволяет говорить о долгожданном практическом использовании новых «метасверхпроводников» уже в обозримом будущем.

Препринт исследования доступен на сайте arXiv.