Ученые показывают, что обработка ультразвуком – это экономически эффективный подход для улучшения свойств сверхпроводников на основе диборида магния, пишет eurekalert.org. Сверхпроводимость уже имеет множество практических применений, таких как медицинская визуализация и левитирующий транспорт, такие как неизменно популярные магнитолевые системы.

Однако для того, чтобы преимущества применяемых сверхпроводников продолжали распространяться в другие области техники, нам необходимо найти способы не только улучшить их характеристики, но и сделать их более доступными и простыми в изготовлении.

В связи с этим диборид магния (MgB₂) привлек внимание исследователей с момента его открытия как сверхпроводник с множеством преимуществ. Это легкий, легко перерабатываемый материал, изготовленный из широко распространенных прекурсоров. Сочетание этих качеств значительно снижает общую стоимость работы с MgB₂.

Однако ключевым практическим свойством сверхпроводника является его критическая плотность тока (J_c) – максимальная плотность тока, при которой он может работать без рассеивания энергии, как это делают обычные проводники. Повышение J_c MgB₂ доступными средствами оказалось серьезной проблемой, которую обычно решают с помощью материаловедения и оптимизации процедур и условий производства.

В недавнем исследовании группа ученых из Технологического института Шибаура (Япония) разработала рентабельный метод повышения J_c объемного MgB₂: обработка ультразвуком. Их подход включает растворение дешевого коммерческого бора в гексане и использование ультразвука для тщательного диспергирования растворенного вещества. После испарения и удаления гексана получают очень тонкий порошок бора, который затем спекают с магнием для получения MgB₂.

Но почему использование более мелкого бора приводит к лучшим сверхпроводящим свойствам?

Ответ – закрепление магнитного потока. Хотя сверхпроводники обычно отталкивают внешние магнитные поля, некоторые квантованные количества магнитного потока иногда проникают в материал при правильных условиях, создавая сильную силу, отвечающую за левитацию сверхпроводимости. Это проникновение происходит только в центрах пиннинга, которые возникают из-за различного рода дефектов материала; в случае MgB₂ центры пиннинга расположены на границах зерен.

Профессор Муралидхар Мирьяла, руководивший исследованием, объясняет: «Очищенный порошок бора, полученный с помощью ультразвуковой обработки, приводит к более высокой плотности границ зерен за счет уменьшения общего размера зерен. В свою очередь, увеличение границ зерен равняется увеличению центры пиннинга потока, которые ответственны за более высокие значения Jc, которые мы наблюдали в наших образцах».

Методика синтеза ученых позволила получить объемный MgB₂ высокого качества, в основном без примесей окисления. По сравнению с образцом, не обработанным ультразвуком, использованным в качестве эталона, значения J_c увеличились на целых 20%, в зависимости от использованного времени обработки ультразвуком. Более того, результаты сканирующей электронной микроскопии и энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии выявили вторичный механизм, который может приводить к увеличению J_c. Команда отметила слоистую структуру того, что похоже на Mg-B-O, покрывающее стенки пор из-за недостатка бора. Эта слоистая структура покрытия может не только действовать как центр закрепления, но также оказывать сдерживающее влияние на размер зерна.

В восторге от общих результатов, Мириала отмечает: «Наше исследование закладывает основу для реализации доступного высокоэффективного объемного MgB₂ для сверхпроводящих магнитов. Это поможет снизить стоимость технологий на основе магнитов и сделает их более доступными для населения, особенно в области медицины. Несмотря на то, что потребуются дальнейшие исследования для поиска оптимальных параметров растворителя и ультразвуковой обработки, настоящие результаты, безусловно, являются многообещающими и могут способствовать использованию сверхпроводящих магнитов MgB₂ в других областях, включая космические приложения, очистку воды и электродвигатели. Надеюсь, и если у нас будет достаточно времени, мы все так или иначе выиграем от доступных сверхпроводников!»