Какие металлы могут переходить в состояние сверхпроводимости
Сверхпроводимость, явление, открытие, теория, применение и температура сверхпроводимости.
Сверхпроводимость – свойство некоторых материалов обладать абсолютно нулевым электрическим сопротивлением при достижении ими температуры ниже определённого значения (т.н. критической температуры).
Описание. Явление сверхпроводимости:
Сверхпроводимостью обладают металлы и их сплавы, полупроводники, а также керамические материалы и иные вещества. Существуют даже сверхпроводящие сплавы и материалы, у которых один из элементов или все элементы , входящих в его состав, могут и не быть сверхпроводниками. Например, сероводород , сплавы ртути с золотом и оловом.
Сверхпроводящее состояние в материале возникает не постепенно, а скачкообразно – при достижении температуры ниже критической. Выше этой температуры металл, сплав или иной материал находится в нормальном состоянии, а ниже ее – в сверхпроводящем. Для некоторых веществ переход в сверхпроводящее состояние становится возможным при определенных внешних условиях, например, по достижении определенного значения давления.
Сверхпроводимость как явление сопровождается несколькими эффектами. Определяющее значение имеют два из них: исчезновение электрического сопротивления и выталкивание магнитного потока (поля) из его объема. Поэтому важнейшее значение приобретает не только критический ток, но и критическое магнитное поле – определенное значение напряженности магнитного поля, по достижении которого сверхпроводник теряет свойство сверхпроводимости.
Явление сверхпроводимости может быть продемонстрировано на практике. Если взять проводник, закольцевать его, сделав замкнутый электрический контур, охладить его до температуры ниже критической и подвести к нему электрический ток, а после чего убрать источник электрического тока, то электрический ток в таком проводнике будет существовать неограниченно долгое время.
В настоящее время получены сверхпроводники, обладающие свойством сверхпроводимости при комнатной температуре .
Открытие сверхпроводимости:
Явление сверхпроводимости впервые открыл в 1911 г. голландский физик Хейке Камерлинг-Оннес, исследуя зависимость электрического сопротивления металлов от температуры.
Сверхнизкими температурами он начал интересоваться ещё в 1893 г., когда он создал криогенную лабораторию.
В 1908 г. ему удалось получить жидкий гелий.
Охлаждая с его помощью металлическую ртуть, он с удивлением обнаружил, что при температуре, близкой к абсолютному нулю (4,15 К), электрическое сопротивление (р) ртути скачком падает до нуля.
В 1912 году были обнаружены ещё два металла, переходящие в сверхпроводящее состояние при низких температурах: свинец и олово.
Впоследствии были открыты и другие сверхпроводники.
Природа, объяснение и теория сверхпроводимости:
Следует отметить, что полностью удовлетворительная теория сверхпроводимости в настоящее время отсутствует.
В 1957 г. Дж. Бардин, Л. Купер и Дж. Шриффер предложили так называемую теорию БКШ (Бардина – Купера – Шриффера).
Электрический ток представляет собой движение электронов. В обычном проводнике электроны двигаются поодиночке и самостоятельно преодолевают различные препятствия на своём пути. При этом в ходе движения они сталкиваются друг с другом и с кристаллической решеткой, теряя при этом свою энергию. Таким образом, в проводнике из-за различных препятствий возникает электрическое сопротивление.
Электроны в обычных условиях имеет спин, принимающим значение -1/2 или +1/2. Но при определенных условиях (при понижении температуры ниже критической) они образуют пары. Электроны с противоположными значениями спина притягиваются друг к другу. Эти образованные пары также называют куперовской парой. Эта пара имеет нулевой спин и удвоенный заряд электрона. Поскольку суммарный спин этой пары равен нулю, то она обладает свойствами бозона. Бозоны образуют конденсат Бозе-Эйнштейна , к которому присоединяются все свободные бозоны, и находятся в одном квантовом состоянии. Они становятся единым целым, способным двигаться без столкновения с решеткой и оставшимися электронами, то есть без потерь энергии, без электрического сопротивления. Так возникает эффект сверхпроводимости.
Однако данная теория не способна объяснить сверхпроводимость при высоких температурах (высокотемпературную сверхпроводимость).
Классификация, типы и виды сверхпроводников:
По критической температуре сверхпроводники разделяются на низкотемпературные, если критическая температура ниже 77 K (-196 о С), и высокотемпературные.
Температурой разделения является температура кипения азота, которая составляет 77,4 K (-195,75 °C).
Данное деление имеет практическое значение. В первом случае охлаждение производится жидким или газообразным гелием, а во втором случае – более дешевым жидким или газообразным азотом.
По отклику сверхпроводников на магнитное поле они бывают сверхпроводниками I рода и сверхпроводниками II рода.
Сверхпроводники I рода по достижению единственного определенного значения напряженности магнитного поля (т.н. критического магнитного поля, Hc) теряют свою сверхпроводимость. До этого значения магнитное поле огибает сверхпроводник, а свыше его – проникает внутрь и проводник теряет свою сверхпроводимость.
У сверхпроводников II рода имеется два критических значения магнитного поля Hc1 и Hc2. При приложении магнитного поля первого критического значения Hc1 происходит частичное проникновение магнитного поля в тело сверхпроводника, однако сверхпроводимость сохраняется. Выше второго значения критического поля Hc2, сверхпроводимость разрушается полностью. В магнитных полях от первого до второго критического значения в сверхпроводнике существует вихревая структура магнитного поля.
По материалу сверхпроводники подразделяются чистые элементы, сплавы, керамику, сверхпроводники на основе железа, органические сверхпроводники и прочие.
Температура сверхпроводимости металлов, сплавов и прочих материалов:
| Материалы | Критическая температура, К | Критические поля (при 0 К), Гс (Э*) | |
| Сверхпроводники 1-го рода | Hc | ||
| Родий | 0,000325 | 0,049 | |
| Магний | 0,0005 | —** | |
| Вольфрам | 0,012 | 1* | |
| Гафний | 0,37 | —** | |
| Титан | 0,39 | 60 | |
| Рутений | 0,47 | 46* | |
| Кадмий | 0,52 | 28 | |
| Цирконий | 0,55 | 65* | |
| Осмий | 0,71 | 46,6* | |
| Уран | 0,8 | —** | |
| Цинк | 0,85 | 53 | |
| Галлий | 1,08 | 59 | |
| Алюминий | 1,2 | 100* | |
| Рений | 1,7 | 188* | |
| Двухслойный графен | ~ 1,7 | 500 | |
| Сплав Аu-Bi | 1,84 | —** | |
| Таллий | 2,37 | 180 | |
| Индий | 3,41 | 280 | |
| Олово | 3,72 | 305 | |
| Ртуть | 4,15 | 411 | |
| Тантал | 4,5 | 830* | |
| Ванадий | 4,89 | 1340* | |
| Свинец | 7,1999 | 803 | |
| Технеций | 11,2 | —** | |
| H2S ( сероводород ) | 203 при давлении 150 ГПа | 720 000 | |
| Сверхпроводники 2-го рода | Hc1 | Hc2 | |
| Ниобий | 9,25 | 1735 | 4040 |
| Nb3Sn | 18,1 | – | 220 000 |
| Nb3Ge | 23,2 | – | 400 000 |
| Pb1Mo5,1S6 | 14,4 | – | 600 000 |
| YBa2Cu3O7 | 93 | 1000*** | 1 000 000*** |
| HgBa2Ca2Cu3O8+x | 135 | —** | —** |
Примечание к таблице:
* для материалов, помеченных * значение критического поля указано в Э (эрстед), для остальных в Гс (гаусс).
*** Экстраполировано к абсолютному нулю.
Свойства сверхпроводников. Эффекты сверхпроводимости:
1. Нулевое электрическое сопротивление.
Строго говоря, сопротивление сверхпроводников равно нулю только для постоянного электрического тока. Сопротивление у сверхпроводников при прохождении через них переменного тока отлично от ноля и возрастает с повышением температуры.
2. Критическая температура сверхпроводников.
3. Критическое магнитное поле сверхпроводников.
Это значение магнитного поля, выше которого сверхпроводник теряет свойство сверхпроводимости и переходит в обычном состояние, характерное для обычного проводника.
Значение критического магнитного поля различается в зависимости от материала сверхпроводника и может составлять от нескольких десятков гаусс до нескольких сотен тысяч гаусс. В таблице значений сверхпроводимости материалов указывается критическое магнитное поле при температуре абсолютного нуля (0 К).
Критическое магнитное и критическая температура взаимосвязаны между собой. При повышении температуры сверхпроводника критическое магнитное поле уменьшается. При температуре перехода из сверхпроводящего состояния в нормальное состояние критическое магнитное поле равно нулю, а при абсолютном нуле оно максимально.
Зависимость величины критического поля от температуры с хорошей точностью описывается выражением:
Нс(Т) = Нсо · (1 – T 2 / Tc 2 )
где Нс(Т) – критическое магнитное поле при заданной температуре, Нсо – критическое поле при нулевой температуре, Т – заданная температура, Тс – критическая температура.
Для сверхпроводников II рода указываются два значения магнитного поля. Также нетрудно заметить, какие гигантские поля способны выдерживать сверхпроводники второго рода без разрушения сверхпроводимости.
4. Критический ток в сверхпроводниках.
Это значение максимального постоянного тока, который может выдерживать сверхпроводник без потери сверхпроводящего состояния. При превышении этого значения сверхпроводник теряет свойство сверхпроводимости.
Как и критическое магнитное поле, критический ток обратно пропорционально зависит от температуры, уменьшаясь при ее увеличении.
5. Выталкивание магнитного поля сверхпроводником из своего объёма.
Это явление было названо эффектом Мейснера по имени первооткрывателя.
Эффект Мейснера означает полное вытеснение магнитного поля из объёма проводника при его переходе в сверхпроводящее состояние. Внутри сверхпроводника намагниченность равна нулю. Впервые явление наблюдалось в 1933 году немецкими физиками В. Мейснером и Р. Оксенфельдом.
Однако не у всех сверхпроводников наблюдается полный эффект Мейснера. Вещества, проявляющие полный эффект Мейснера, называются сверхпроводниками первого рода, а частичный – сверхпроводниками второго рода. Для сверхпроводников второго рода магнитное поле в интервале значений Hc1 – Hc2 проникает и действует в виде вихрей Абрикосова. Однако стоит отметить, что в низких магнитных полях (ниже значения Hc и Hc1 ) полным эффектом Мейснера обладают все типы сверхпроводников.
Отсутствие магнитного поля в объеме сверхпроводника означает, что электрический ток протекает только в поверхностном слое сверхпроводника.
6. Глубина проникновения.
Это расстояние, на которое магнитный поток проникает в сверхпроводник. Обычно данную величину называют лондоновской глубиной проникновения (в честь братьев Лондон).
Глубина проникновения оказывается функцией температуры, прямо пропорционально ей и различна в разных материалах.
Исходя из действия эффекта Мейснера магнитное поле выталкивается из сверхпроводника токами, циркулирующими в его поверхностном слое, толщина которого приблизительно равна глубине проникновения. Эти токи создают магнитное поле, которым компенсируется поле, приложенное извне, не позволяя ему проникнуть внутрь.
При достижении магнитным полем критического значения оно полностью проникает через глубину проникновения и захватывает весь сверхпроводник.
7. Длина когерентности.
Это расстояние, на котором электроны взаимодействуют друг с другом, создавая сверхпроводящее состояние. Электроны в пределах длины когерентности движутся согласованно – когерентно (как бы «в ногу»).
8. Удельная теплоемкость.
Данная величина показывает количество теплоты, необходимое для того, чтобы повысить температуру 1 грамма вещества на 1 К.
Удельная теплоемкость сверхпроводника резко (скачкообразно) возрастает вблизи температуры перехода в сверхпроводящее состояние, и довольно быстро (скачкообразно) уменьшается с понижением температуры. Иными словами, в области перехода для повышения температуры вещества в сверхпроводящем состоянии требуется больше теплоты, чем в нормальном состоянии, а при очень низких температурах – наоборот.
Применение сверхпроводимости:
– для получения сильных магнитных полей. Поскольку при прохождении по сверхпроводнику сильных токов, создающих сильные магнитные поля, отсутствуют тепловые потери. Для получения сильных магнитных полей используются сверхпроводники II рода, т.к. значение критического магнитного поля Нс2 для них значительно велико,
– в электрических кабелях и линиях электропередач (ЛЭП). Так, один тонкий электрический кабель из сверхпроводника способен передать электрический ток, для передачи которого обычный проводник должен иметь значительные размеры (диаметр),
– в мощных генераторах тока и электродвигателях ,
– в измерительных приборах,
Без всякого сопротивления
Физиков конца XIX века очень интересовало, как ведет себя электропроводность металлов при сверхнизких температурах. На этот счет существовали разные теории, но применимость их вблизи абсолютного нуля выглядела сомнительной. В декабре 1910 года Камерлинг-Оннес вместе с Корнелисом Дорсманом и Гиллесом Холстом приступили к экспериментам. Первым делом они измерили температурную зависимость сопротивления платиновой проволоки, охлажденной жидким гелием. Оказалось, что оно понижается вместе с температурой, но ниже 4,25 К становится постоянным. Камерлинг-Оннес считал, что химически чистый металл вблизи абсолютного нуля обязан свободно пропускать ток, и объяснял остаточное сопротивление влиянием примесей. В дальнейшем он решил воспользоваться ртутью, которую можно очистить многократной перегонкой в вакууме. Жидкую ртуть при комнатной температуре заливали в тонкие капилляры и охлаждали их в гелиевом криостате, после чего измеряли ее сопротивление. В знаменательный день 8 апреля 1911 года Камерлинг-Оннес всего лишь убедился, что при охлаждении от 4,3 до 3 К сопротивление ртути падает практически до нуля. В повторном эксперименте 11 мая он обнаружил, что ртуть теряет сопротивление при охлаждении до 4,2 К (на самом деле его температурная шкала была не совсем корректна, в действительности чистая ртуть становится сверхпроводником при 4,15 К).
Камерлинг-Оннес понял, что скачкообразное исчезновение электрического сопротивления ртути (или, как минимум, его падение до не поддающихся измерению значений) не имеет теоретического объяснения. Он пришел к выводу, что ртуть перешла в новое состояние, которое он назвал сверхпроводящим (температуру такого перехода сейчас называют критической, Tc).
Позднее под руководством Камерлинг-Оннеса в Лейдене были обнаружены еще четыре сверхпроводника – олово и свинец (1912), таллий (1919) и индий (1923). Но самые интересные открытия его лаборатории состояли не в этом. Еще осенью 1911 года было замечено, что сверхпроводимость ртути разрушается при увеличении плотности тока выше определенного предела, который растет по мере снижения температуры. Дальнейшие эксперименты показали, что при сворачивании сверхпроводящего провода в спираль этот порог снижается в несколько раз. Катушки из оловянной и свинцовой проволоки, сделанные для этих опытов, стали первыми в мире сверхпроводящими магнитами.
Эти результаты позволяли предположить, что сверхпроводимость разрушается магнитным полем (которое при одинаковой силе тока внутри соленоида куда сильнее, нежели в линейном проводнике). Как ни странно, Камерлинг-Оннес не подумал об этой возможности, объясняя исчезновение сверхпроводимости плохим охлаждением катушек. Однако его весьма интересовало влияние внешнего магнитного поля на поведение сверхпроводника. Начав эти исследования в 1914 году, он вскоре убедился, что поле напряженностью всего в несколько сотен эрстед приводит к таким же последствиям, как и нагревание, то есть ликвидирует сверхпроводимость. Хотя Камерлинг-Оннес однозначно сформулировал этот вывод и показал, что пороговое значение магнитного поля (в современной терминологии критическое поле Hc) возрастает с уменьшением температуры подобно пороговому значению плотности тока, он не усмотрел связи между этими явлениями. И только в 1916 году американский физик Фрэнсис Бригг Сильсби высказал гипотезу, что в обоих случаях сверхпроводимость разрушается магнитным полем независимо от его источника.
В 1914 году Камерлинг-Оннес по-новому продемонстрировал возникновение сверхпроводящего тока. При комнатной температуре катушку из свинцовой проволоки охладили в магнитном поле приблизительно до 2 К, после чего отключили поле, создаваемое электромагнитом. В катушке возник индукционный ток, который удерживал своим магнитным полем подвешенную над катушкой намагниченную иглу. Согласно наблюдениям, за те полтора часа, в течение которых катушку держали в криостате, сила тока практически не уменьшилась. Не будь она сверхпроводящей, ток, разумеется, затух бы за ничтожные доли секунды.
Сверхпроводимость и магнетизм
После Камерлинг-Оннеса лабораторию возглавили Виллем Кеезом и Вандер де Хааз. В конце 1920-х они выяснили, что сверхпроводниками становятся не только металлы, но и биметаллические соединения, причем их пороговые магнитные поля могут составлять многие тысячи эрстед, что в десятки раз выше, чем у чистых металлов. Они же доказали, что наложение внешнего магнитного поля понижает критическую температуру.
К тому времени исследованием сверхпроводимости занимались не только в Голландии. Второй комплекс по ожижению гелия запустили в Университете Торонто в 1923 году, третий — спустя два года в криогенной лаборатории Имперского физико-технического центра в берлинском пригороде Шарлоттенбурге. С 1928 по 1930 год там выявили сверхпроводимость тантала, тория и ниобия. А в 1933-м директор лаборатории Вальтер Мейсснер и его ассистент Роберт Оксенфельд нашли у сверхпроводников парадоксальную особенность, которую ныне почитают более фундаментальной, чем способность без помех пропускать электрический ток.
Эффект Мейсснера–Оксенфельда, как и сверхпроводимость, был открыт случайно. В те времена сверхпроводники воспринимали лишь как идеальные проводники с нулевым сопротивлением. В 1925 году Гертруда де Хааз-Лоренц (жена Вандера де Хааза и дочь великого голландского физика Хендрика Лоренца) теоретически вывела, что в подобных материалах электрические токи текут лишь в поверхностном слое толщиной порядка 50 нм (оценка оказалась чрезвычайно точной — к примеру, для свинца этот показатель составляет 40 нм). Через несколько лет сходные результаты получили и немецкие физики. Мейсснер пожелал проверить эту теорию экспериментом. Поскольку внутрь сверхпроводника заглянуть невозможно, он решил изучить магнитные поля, порождаемые сверхпроводящими токами. Здесь его ожидал сюрприз. Оказалось, что сверхпроводники взаимодействуют с магнитным полем совсем не так, как должны взаимодействовать с ним идеальные проводники (см. врезку). Эксперименты Мейсснера и Оксенфельда показали, что внутри сверхпроводника магнитное поле становится нулевым, то есть переход в сверхпроводящее состояние порождает идеальный диамагнетизм (вещества, внутри которых внешнее магнитное поле ослабляется, называют диамагнетиками). Эти результаты выглядели совершенно парадоксальными. Неоднократные повторные эксперименты подтверждали, что слабые магнитные поля не проникают внутрь сплошных сверхпроводников, хотя проходят сквозь кольца и полые цилиндры.
Эффект Мейсснера–Оксенфельда
Как должны вести себя в магнитном поле идеальные проводники? Возьмем металлический образец с простой геометрией (шар или тонкий длинный цилиндр) и поместим его в постоянное однородное магнитное поле при комнатной температуре. Как известно из школьного курса физики, поле проникнет внутрь образца на всю его толщину. Снизим температуру ниже критической, чтобы образец перешел в состояние идеального проводника. Такой переход никоим образом не влияет на магнитное поле, которое по-прежнему пронизывает образец. После отключения поля внутри идеального проводника благодаря появлению индукционных токов сохраняется магнетизм (вспомним правило Ленца), но наружное поле, естественно, изменяется.
Теперь выполним аналогичные операции в обратном порядке: сначала охладим образец, а потом включим магнитное поле. Идеальный проводник полностью вытолкнет магнитные силовые линии и породит на своей поверхности экранирующие индукционные токи. Однако после того как мы поднимем температуру и превратим идеальный проводник в обычный металл, магнитное поле вновь проникнет внутрь образца.
Мейсснер и Оксенфельд в экспериментах с оловянными и свинцовыми цилиндрами обнаружили, что этот прогноз выполняется лишь наполовину. Во второй версии опыта сверхпроводник действительно ведет себя так, как положено идеальному проводнику. Однако первая версия (охлаждение в постоянном магнитном поле) приводит к совершенно неожиданному результату. После перехода в сверхпроводящее состояние образец полностью выталкивает магнитный поток, так что магнитная индукция внутри него оказывается равной нулю. Дело выглядит так, что и в этом случае на поверхности сверхпроводника возникают незатухающие токи, которые экранируют его внутреннюю часть от внешнего магнитного поля. Экспериментаторы обнаружили также, что при последующем отключении поля образец теряет свою намагниченность. Отсюда следует, что токи исчезают, хотя у идеального проводника они должны сохраниться.
Классический тупик
После смерти Оннеса была разработана квантовая теория металлов и сплавов, которая сулила надежду на объяснение сверхпроводимости. Его искали такие физики-теоретики мирового класса, как Вернер Гейзенберг и Вольфганг Паули, Нильс Бор и Ганс Бете, Лев Ландау и Яков Френкель, Невилл Мотт и Хендрик Казимир, и это отнюдь не полный список. Однако сверхпроводимость долгое время оставалась неприступной загадкой. Один из создателей квантовой теории твердого тела Феликс Блох в начале 1930-х годов предсказал, что любая теория сверхпроводимости со временем будет опровергнута. Этот прогноз продержался 20 лет.
В 1932 году голландский теоретик Ральф Крониг предложил модель, в соответствии с которой электроны в сверхпроводнике формируют нечто вроде кристаллической решетки, где свободно скользят одномерные электронные цепочки, переносящие электрический ток. Еще через два года Корнелис Гортер и Хендрик Казимир развили эту идею в теорию. Она утверждает, что вблизи абсолютного нуля в сверхпроводниках почти все электроны проводимости конденсируются в «кристаллическую фазу», но небольшая их часть остается в виде свободного газа. «Кристаллизованные» электроны переносят транспортный ток без сопротивления, а «газовые» по-прежнему рассеиваются на тепловых колебаниях и дефектах кристаллической решетки. При нагревании «газовая» доля возрастает и при критической температуре достигает 100%. Модель Гортера и Казимира базировалась на классических термодинамике и электродинамике, квантовая механика в ней не использовалась. Эту модель даже можно было частично согласовать с результатами экспериментов, но все же выглядела она чрезвычайно искусственной.
Задача теоретиков и в самом деле была непростой. Для разумной интерпретации эффекта Мейсснера–Оксенфельда приходилось признать, что при переходе в сверхпроводящее состояние в постоянном магнитном поле в образце возникают незатухающие поверхностные токи. Но, согласно классическим уравнениям Максвелла, электрический ток индуцируют только изменения магнитного поля. Теория твердого тела утверждала, что это заключение вполне справедливо для электронов проводимости в нормальном металле. Оставалось предположить, что носители тока в сверхпроводниках пребывают в каком-то экзотическом состоянии, для описания которого нужны были новые модели.
Первые квантовые шаги
Первую такую модель в 1934 году разработали Фриц и Хайнц Лондоны, немецкие физики, эмигрировавшие в Англию после прихода к власти Гитлера. Братья Лондоны работали в Кларендоновской лаборатории Оксфордского университета, где к этому времени открылся первый британский криогенный центр с комплексом для ожижения гелия. Они постулировали два уравнения, описывающие связь между сверхпроводящим током, напряженностью электрического поля и магнитной индукцией. Из этих уравнений следовало, что внешнее магнитное поле распространяется внутри сверхпроводника лишь в пределах очень тонкого слоя, который называют лондоновской глубиной проникновения (50–500 нм).
Сверхпроводники I и II рода
Наиболее убедительные результаты в области взаимодействия сверхпроводников и магнитного поля были получены под руководством замечательного экспериментатора Льва Шубникова в криогенной лаборатории Украинского физико-технического института в Харькове, где в 1933 году был установлен ожижитель гелия. Шубников обнаружил, что, в отличие от чистых металлов, сверхпроводящие сплавы обладают не одним, а двумя критическими магнитными полями — нижним и верхним (сейчас их обозначают как Hc1 и Hc2). Внешние магнитные поля, меньшие, чем Hc1, вообще не проникают в толщу сплава, и поэтому он ведет себя как чистый сверхпроводящий металл. При дальнейшем повышении напряженности внешнее поле начинает проникать внутрь образца, однако его электрическое сопротивление остается нулевым. Когда поле становится равным Hc2, сплав перестает быть сверхпроводящим. В интервале внешних полей от нижнего критического до верхнего критического такой сверхпроводник находится в промежуточном состоянии, в котором эффект Мейсснера–Оксенфельда уже не работает. Подобным образом ведут себя и два чистых металла, ванадий и ниобий. Объяснить это удалось лишь спустя 20 лет. Такие сверхпроводники сейчас называют сверхпроводниками II рода, а чистые металлы (и некоторые сплавы), которые полностью подчиняются эффекту Мейсснера, относят к сверхпроводникам I рода.
Теория Лондонов стала вершиной понимания природы сверхпроводимости, достигнутой в первой половине XX века. Она хорошо описывает поведение сверхпроводника во внешнем магнитном поле, сильно уступающем по величине Hc (или Hc1). Уравнения Лондонов еще не содержат постоянной Планка и посему формально не связаны с квантовой физикой. Но в 1935 году Фриц Лондон пришел к выводу, что электроны в сверхпроводниках находятся в стационарных квантовых состояниях, до некоторой степени аналогичных состояниям электронов на внутриатомных орбитах. Он первым в мире увидел в сверхпроводимости чисто квантовое явление макроскопического масштаба, что для того времени было революционной идеей. В 1948 году он показал, что магнитный поток квантуется, то есть проникает внутрь сверхпроводящего кольца лишь конечными порциями, всегда равными целому числу элементарных квантов магнитного потока. Эксперименты подтвердили квантование магнитного потока лишь в 1961 году.
Вторая мировая война почти полностью прервала исследования сверхпроводимости. Кое-что делали и тогда — так, в 1941 году в Германии выявили сверхпроводимость нитрида ниобия с рекордно высокой по тому времени температурой 15 К. Но подлинный прорыв в этой области произошел в 1960-х, когда были выявлены вещества, которые становятся сверхпроводниками при значительно более высоких температурах. Но об этом, а также о высокотемпературных сверхпроводниках читайте в одном из следующих номеров «ПМ».
Адский холод, левитация и плазма: прошлое, настоящее и будущее сверхпроводимости
Сверхпроводимость – открытие с незавидной судьбой по сравнению с другими научными прорывами XX века. Результаты последних быстро нашли путь из теоретической в прикладную науку, а затем – в повседневную жизнь. Сверхпроводимость же постоянно требует от учёных достигать и преодолевать какие-то пределы: температурные, химические, материальные. И даже спустя более чем 100 лет после открытия этого явления, мы все ещё боремся с теми же преградами, которые стояли перед учёными в начале прошлого века. Мы — это и Toshiba тоже, и нам есть что рассказать о нашем вкладе в изучение и приручение сверхпроводимости.
Что такое сверхпроводимость и как мы о ней узнали?
Представьте, что вам надо проехать на машине через очень плохую грунтовую дорогу. В тёплое время года, особенно после дождя, она превращается в болото. Колеса вязнут в грязи, скользят, буксуют, машину водит из стороны в сторону. Ваша скорость падает. Зато осенью при первых заморозках грязь твердеет, и вы проезжаете по дороге с ветерком, как будто по шоссе. Вот также и электроны, составляющие электрический ток, проходят через металлы при изменении температуры. Когда вещество нагрето, составляющие его атомные структуры сильно колеблются, затрудняя движение электронов. Атомы выхватывают из потока электроны и рассеивают их. Лишь немногие проходят из точки «А» в точку «Б». Так создается сопротивление.
Однако если металл охлаждать до абсолютного нуля (–273 °С), внутренние колебания вещества («тепловой шум») в нём уменьшаются, и электроны проходят через него без трений, то есть сопротивление падает до нуля. Именно это и называется сверхпроводимостью. Как всё это работает с научной точки зрения, описано в многочисленных статьях в специальных и научно-популярных изданиях, например, в N+1 (с весёлыми картинками).
Голландский физик Хейке Каммерлинг-Оннес в 1911 году об этом явлении ещё не знал, хотя уже был в курсе, что электрическое сопротивление металла снижается при охлаждении. Чтобы проверить, как далеко можно зайти в играх с холодом, металлом и электричеством, голландец использовал ртуть. Именно этот металл в те времена подвергался лучшей очистке от примесей, мешающих движению электронов.
При понижении температуры до 4,15 кельвинов, то есть до –269 °C, сопротивление в ртути полностью исчезло. Правда, Каммерлинг-Оннес в это не поверил, и, проявляя свойственную ученому осторожность, записал в дневнике, что сопротивление «практически исчезло». На самом деле оно полностью отсутствовало, просто измерительные приборы тогда к этому были не готовы, как и сам исследователь.
Впоследствии Каммерлинг-Оннес проверил на сверхпроводимость много металлов и установил, что таким свойством обладают свинец и олово. Также он нашел первый сверхпроводящий сплав, который состоял из ртути, золота и олова. За свои эксперименты с критически низкой температурой ученый получил прозвище «Абсолютный нуль». Но поддерживать это высокое звание было непросто — для экспериментов требовался дефицитный по тем временам жидкий гелий, что не позволило Каммерлингу-Оннесу открыть второе фундаментальное свойство проводников.
Эффект Мейснера: мог ли летать гроб пророка
В средневековой Европе был распространен такой миф: в Мекке, в одном из дворцов парит в воздухе железный (по другим представлениям — медный) гроб с телом пророка Мухаммеда, не поддерживаемый ничем, кроме мощных магнитов. Паломники со всего исламского мира приходят туда, чтобы увидеть это зрелище, и в религиозном экстазе выкалывают себе глаза, потому что верят, будто ничего чудеснее в жизни уже не увидят.
Паломник пал на колени перед левитирующим гробом на фрагменте Каталонского атласа XIV века. Источник: Wikimedia Commons
В действительности погребён пророк был не в Мекке, а в Медине; гроб был сделан из дерева, хотя и богато украшен; никаких магнитов тоже замечено не было, что было проверено в XIX веке. Тогда же было доказано, что ферромагнитное тело в поле постоянных магнитов не может сохранять устойчивое равновесие.
Тем не менее, если бы средневековые хронисты пережили выдуманный миф на один век, то они могли бы получить в распоряжение мощный козырь. В 1933 году немецкие физики Вальтер Мейснер и Роберт Оксенфельд решили проверить, как распределяется магнитное поле вокруг сверхпроводника. И вновь было сделано неожиданное открытие: сверхпроводник, охлажденный до критической температуры, вытолкнул из своего объема внешнее постоянное магнитное поле. Как выяснилось, проходящие через сверхпроводник токи создают своё магнитное поле в тонком поверхностном слое вещества. В сверхпроводящем состоянии сила этого поля равна действующему на него внешнему магнитному полю.
Если бы гроб пророка был создан из магнитов и помещён в пещеру, состоящую из охлажденных до критических температур сверхпроводников, то, возможно, он действительно парил бы в воздухе, как это описывали средневековые европейцы. Во всяком случае, в небольших масштабах и с менее сакральными участниками такой эксперимент уже много раз проводился.
Вот так мог левитировать гроб пророка, если бы при его погребении были учтены все условия эффекта Мейснера. Источник: YouTube-канал Empiric School
Открытие эффекта Мейснера также помогло нам понять, что не все сверхпроводники одинаковы. Помимо немногочисленных чистых металлов, сверхпроводимость возникает и у сплавов. Однако если у чистых веществ эффект Мейснера проявляется полностью (сверхпроводники I рода), то у сплавов — частично, ведь они не однородны (сверхпроводники II рода). В них магнитное поле выталкивается не полностью, а заполняет пространство вдоль идущих через проводник сверхтоков. Именно с их открытия началось практическое применение сверхпроводников в виде магнитов.
Тесла бы гордился: как Toshiba создала самый мощный в мире сверхпроводящий магнит
В погоне за снижением критической температуры к 1960-м годам человечество открыло много сверхпроводников второго вида, которые уже можно было использовать в промышленных целях и масштабах. Первой логичной задачей на этом пути стало создание сверхпроводящих магнитов, которые должны были заменить изобретенные еще в XIX веке электромагниты, основанные на использовании обычных металлов.
Сверхпроводящий магнит позволял создавать гораздо более устойчивые и мощные поля при более эффективном использовании электричества. В 1962 году были разработаны первые сверхпроводящие провода из ниобия и титана, и в том же году был создан первый крупный сверхпроводящий магнит. Его сконструировали специалисты General Electric. Мощность генерируемых им полей достигала 10 тесла. Для сравнения: большинство больничных магнитно-резонансных томографов сегодня генерируют поле с индукцией от 1 до 10 Тл.
Правда, несмотря на очевидный научно-технический успех, первый сверхпроводящий электромагнит оказался совершенно убыточным. Вместо предусмотренных контрактом с Bell Laboratories 75 тыс. долл., детище General Electric обошлось в 200 тыс. долл. Тем не менее, в гонку за индуктивностью полей в 1970-е гг. вступили многие инновационные компании, в том числе и Toshiba.
Основной задачей тогда было понять, насколько сильное поле может создать сверхпроводящий магнит, потому что чем выше эта величина, тем быстрее теряется сверхпроводимость. Именно тогда Toshiba совместно с Университетом Тохоку создала новый мощнейший в мире на тот момент сверхпроводящий магнит. Он генерировал поле с индукцией 12 Тл. В университете Тохоку его использовали в материаловедении.
Однако обычные электромагниты все еще были способны превзойти своих «потомков» в генерации электромагнитных полей. К концу 1970-х старое поколение этих устройств могло создать поле с индукцией до 23,4 Тл, тогда как сверхпроводящие магниты — только 17,5 Тл.
В 1983 году инженеры Toshiba на базе своей прежней разработки создали гибридный электромагнит: обычный резистивный электромагнит был помещён внутрь сверхпроводящего магнита, и скрещивание их полей дало индукцию величиной 31 Тл в 1986 году.
Когда стало ясно, что мы можем достичь очень высокой мощности электромагнитных полей, встал вопрос, а как использовать то, что мы уже имеем? В 1980-е Toshiba, как и многие другие компании, решила коммерциализировать технологию на «медицинском полигоне».
Лучи добра: как сверхпроводники Тошибы помогают лечить онкологические заболевания
В 1980-е стало ясно, что магнитно-резонансная томография, использующая электромагнитные поля сверхпроводников, может давать намного более четкую диагностику, чем недавно разработанная технология компьютерной томографии и более старые рентгеновские лучи. Это осознали и в Toshiba. С тех пор компания стала поставщиком сверхпроводящих магнитов производителям медицинского оборудования и остаётся им до сегодняшнего дня.
Один из первых сверхпроводниковых магнитов Toshiba, разработанный для аппаратов МРТ. Источник: Toshiba
Однако современные медицинские установки становятся гибридными: они не только диагностируют, но и лечат, как, к примеру, аппараты терапии с использованием тяжелых частиц.
Их суть в том, что они генерируют лучи с ускоренным движением тяжелых частиц, которые направляются на опухоли в человеческом теле. Чтобы точно направлять пучки таких частиц, необходимо мощное магнитное поле. Раньше такие машины уже использовались, но они не могли контролировать путь генерируемых частиц, из-за чего пациентам постоянно приходилось менять положение, чтобы подставлять пораженные участки тела под излучение, что непросто для больных онкологическими заболеваниями.
Тогда инженеры Toshiba внедрили в гентри — подвижную кольцевую часть излучателя, похожую на портал, — сверхпроводящие магниты, которые были способны быстро менять силу магнитных полей. Это позволило более прицельно направлять лучи, а движение гентри позволило пациентам сохранять покой во время терапии.
Аппарат терапии тяжелыми частицами. Во вращающемся гентри — сверхпроводниковый электромагнит Toshiba. Источник: Toshiba
Что в будущем: топ-3 перспективных применений сверхпроводников
Помимо медицины, сверхпроводники сегодня используются в науке, энергетике, транспорте. Каковы их перспективы в ближайшем будущем?
Провода на высокотемпературных сверхпроводниках
С самых первых лет открытия сверхпроводимости человечество задумывалось о том, как передавать ток с помощью сверхпроводников. Обычные воздушные высоковольтные линии занимают много пространства, а также теряют 6-10% передаваемой энергии.
Сначала не подходили, собственно, сверхпроводящие металлы, чьи химические свойства не позволяли сделать из них провода. Затем с открытием сверхпроводников II рода встал вопрос об их охлаждении, для которого требовался дорогой гелий. Только в 1986 году была открыта высокотемпературная сверхпроводимость, то есть были найдены сверхпроводники с критической температурой выше 30 кельвинов. Это позволило использовать для охлаждения более дешёвый азот, однако теперь встал вопрос о том, как поддерживать высокопроводящее состояние, то есть низкую (высокую) температуру на очень больших отрезках.
Сейчас в России, Китае, Японии, Южной Корее, Европе и США есть проекты по созданию сверхпроводящих кабелей длиной от одного до десяти километров. Успеха добились российские инженеры — в прошлом году завершились испытания самой протяженной сверхпроводящей кабельной линии постоянного тока. Опытный образец на основе сверхпроводника Bi2Sr2Ca2Cu3O10+x длиной 2,5 км с критической температурой –165 °С планируется ввести в эксплуатацию в 2020 году соединит две подстанции в Санкт-Петербурге.
Высокоскоростной транспорт
Способность сверхпроводников создавать мощное и устойчивое магнитное поле нашла применение в транспорте. В начале 1970-х был создан первый прототип поезда на магнитной подушке (германский Transrapid 02), а в 1984 году первый коммерческий маглев (от словосочетания «магнитная левитация») начал курсировать между терминалом аэропорта Бирмингема и железнодорожной станцией города (проработал до 1995-го).
Суть технологии проста: состав удерживается над дорожным полотном силой электромагнитного поля. Она же толкает состав вперед — включение одинаковых по полюсам магнитов отталкивает состав от дороги, а разных — притягивает. Быстрое попеременное включение таких магнитов создает постоянный зазор между полотном со сверхпроводящими электромагнитами и поездом. Благодаря отсутствию трения маглевы способны разгоняться до 500-600 км/ч.
Однако несмотря на относительную простоту технологии, она не получила широкого распространения. Дело в том, что она слишком дорогая. Скажем, шанхайский маглев-аэроэкспресс (в коммерческой эксплуатации с 2004-го года) приносит ежегодный убыток в 93 млн долл.
Поэтому более перспективным применение электромагнитных полей сверхпроводников может быть в дорогостоящих космических проектах. Тот же принцип магнитной левитации предполагается использовать для вывода в космос грузовых кораблей. К примеру, разработчики проекта Startram (ориентировочная стоимость 20 млрд долл.), заявляют, что снизят стоимость отправки одного килограмма космических грузов до 40 долл., построив разгонный туннель, направленный на околоземную орбиту (против нынешних 2500 долл. у SpaceX на Falcon-9).
Разгонный тоннель в проекте Startram. Источник: Сайт проекта Startram
Термоядерные реакторы
Еще одна перспективная область применения сверхпроводниковых магнитов — термоядерные реакторы. Они нужны для создания так называемой магнитной ловушки, для удержания вырабатываемой реактором плазмы. Заряженные частицы вращаются вокруг силовых линий магнитного поля. По сути, намагниченная плазма становится диамагнетиком, который стремится покинуть магнитное поле. Соответственно, если окружить плазму сверхпроводниковыми магнитами, генерирующими мощные поля, плазма будет удерживаться в заданном объеме и не сможет разрушить стенки реактора.
Именно такая технология используется для строительства термоядерного реактора ИТЕР во Франции. В этом проекте принимает участие и Россия, причем именно она была ответственна за поставку во Францию сверхпроводящих кабелей для создания того самого электромагнитного поля, «укрощающего» плазму. Как предполагается, опробованы магниты будут во время первого запуска реактора в 2025 году.
Когда же потеплеет?
Несмотря на более чем вековую историю сверхпроводимости главная мечта всех физиков и инженеров — комнатная температура сверхпроводимости, которая позволит использовать сверхпроводники максимально широко в быту, — пока не достигнута. Последний рекорд в этой области поставлен совсем недавно, в мае 2019 года: международная группа учёных экспериментировала с экзотическим соединением — гидридом лантана (LaH10). Получить этот материал очень сложно. Для этого нужна высокая температура и большое давление, отчего вырабатываемые образцы гидрида лантана микроскопически малы. Тем не менее, ученым удалось проверить, как этот материал взаимодействует с магнитным полем. При температуре –23 °С он вытолкнул магнитное поле, чем доказал свою сверхпроводимость. Пока что это самый теплый сверхпроводник, который мы знаем. Однако работа по поиску более тёплых сверхпроводников не останавливается, она продолжается. И как только будут достигнуты новые успехи в этой сфере, мы сразу сообщим.
Новый поворот и секреты сверхпроводимости
Скирмионы возникают в результате коллективного поведения множества электронов, но ведут себя как отдельные частицы.
Последние три года электроны «устраивали» физикам игры.
Игра началась в 2018 году, когда лаборатория Пабло Харильо-Эрреро объявила о находке десятилетия: когда исследователи сложили один слой атомов углерода поверх другого, применили «волшебный» поворот на 1,1 градуса между ними, а затем охладили атомные пластины почти до абсолютного нуля, тогда образец стал идеальным проводником электронов.
Как частицы сговорились безупречно скользить через листы графена? Калейдоскопический «муар», создаваемый углом наклона, казался значительным результатом, но никто не был в этом уверен. Чтобы выяснить это, исследователи начали складывать и скручивать (поворачивать) любой материал, который попадался им в руки.
Сначала электроны подыгрывали. Череда экспериментов показала, что во множестве плоских материалов низкие температуры вызывают резкое падение электрического сопротивления. Казалось, что уже лучше понимаются условия, необходимые для идеальной проводимости, а, значит, и был близок тот манящий шаг навстречу революции в электронике.
«Было ощущение, что сверхпроводимость просто повсюду, — сказал Мэтью Янковиц, физик, специалист по вопросам конденсированной среды из Вашингтонского университета, — независимо от того, на какую систему смотреть».
Но электроны вдруг «надели маску ложной скромности». По мере того, как исследователи изучали образцы более тщательно, случаи сверхпроводимости исчезли. В некоторых материалах сопротивление фактически не снижалось до нуля. В различных исследуемых образцах были противоречивые результаты. Только в исходном двухслойном графене электроны действительно перемещались без «сопротивления» в большинстве случаев.
«У нас был целый «зоопарк» из разных скрученных материалов, и скрученный двухслойный графен был единственным сверхпроводником», — сказал Янковиц.
Затем, за последний месяц в двух статьях, опубликованных в журналах «Nature» и «Science», был описан еще один сверхпроводник, трехслойный графеновый «сэндвич» с двумя ровными наружными, «хлебными», листами и листом-начинкой, повернутым на 1,56 градуса.
Безошибочная способность переносить электроны скрученного трехслойного графена подтверждает, что система из двух пластин не была случайностью. «Он был первым из семейства муаровых сверхпроводников, — сказал Харильо-Эрреро, физик из Массачусетского технологического института, который также руководил одним из новых экспериментов, а это второй член этого семейства».
Самуэль Веласко / Quanta Magazine; Источник: любезно предоставлено Пабло Харильо-Эрреро
Сэндвич-суперпроводник
Когда сотовые решетки из листов графена сложены под небольшим углом друг к другу, они естественным образом формируют муаровый узор. В сверхпроводящем трехслойном графене верхний и нижний листы выровнены, а средний лист повернут на 1,56 градуса.
Важно отметить, что этот второй «брат» помог пролить свет на основной механизм, который может быть причиной сверхпроводимости этих материалов.
Спустя несколько месяцев после открытия 2018 года одна группа теоретиков начала ломать голову над механизмом, который сделал двухслойный графен сверхпроводником. Они подозревали, что одна конкретная геометрическая черта может позволить электронам закручиваться в экзотические водовороты, которые ведут себя совершенно новым образом. Этот механизм, который не похож ни на одну из (немногих) известных схем, отвечающих за сверхпроводимость, мог бы объяснить успех сверхпроводимости двухслойного графена, а также неудачи других материалов. Он также спрогнозировал, что трехслойный «брат» графена также будет сверхпроводником.
Но это оставалось лишь теорией, по крайней мере, до тех пор, пока лаборатории не смогли ее проверить. «Из того, что нам известно сейчас, это направление кажется захватывающим», — сказал Эслам Халаф, исследователь из Гарвардского университета, который помогал разрабатывать модель. «Не каждый день появляется новый способ получения сверхпроводимости».
Три чуда
В беспорядочном мире, где трение изобилует, а частицы никогда не остаются неподвижными, такое совершенное явление, как сверхпроводимость, не имеет права на существование. Тем не менее, обычные металлы, такие как ртуть, регулярно проявляют себя при низких температурах, как случайно обнаружила Хайке Камерлинг-Оннес в начале 20 века.
Секрет в том, что вблизи абсолютного нуля колебания в атомной решетке металла разбивают свободные электроны на пары. Эти пары взаимодействуют так, как отдельные электроны не могут взаимодействовать, образуя единую квантово-механическую «сверхтекучую среду», которая течет через материал без единого столкновения электронов с атомом (которые генерируют тепло и сопротивление). Первоначальная теория сверхпроводимости, разработанная еще в 1957 году, описывала ее как утончённый электронный «танец», который могут нарушить все, кроме самых идеальных сред. «Это своего рода чудо, что они вообще соединяются, потому что электроны очень сильно отталкивают друг друга», — сказал Ашвин Вишванат, физик-теоретик из Гарварда.
В 1986 году исследователи заметили электроны, совершившие второе чудо, на этот раз в семействе соединений меди, известных как купраты. Материалы каким-то образом могли сохранять сверхпроводимость на десятки градусов выше температуры, которая чаще разделяет обычные электронные пары. Казалось, действует новый механизм, который, вероятно, связан в основном с самими электронами, а не с их атомным каркасом.
Команда Ашвина Вишваната придумала способ понять сверхпроводимость в графене, изучив его геометрическую структуру. Предоставлено Ашвином Вишванатом
Но после десятилетий интенсивного изучения исследователи до сих пор не уверены, как именно электроны в купратах управляют их сверхпроводящими способностями. Прогнозирование поведения электронных конгломератов включает в себя расчет грубой силы воздействия каждой частицы на каждую другую частицу — расчет, сложность которого возрастает по экспоненте с увеличением количества электронов. Чтобы понять даже крохотную частичку сверхпроводника, теоретикам необходимо понять поведение роя электронов, исчисляемого триллионами. Текущее моделирование может обрабатывать около десятка.
Экспериментаторы сейчас не в лучшем положении. Они могут выращивать новые кристаллы, меняя один атом на другой, проверять их свойства. Но материал не раскрывает, что делают электроны внутри. И исследователи не знают, как будет вести себя материал, до тех пор, пока они не изготовят его. «Никто не мог сказать, что я собирался сделать этот новый [купрат], — сказал Янковиц, — и предсказать, какой будет [температура, при которой он становится сверхпроводником]. Сейчас это до ужаса сложная задача».
Уникальные свойства скрученного двухслойного графена сделали его более прозрачным, чем купраты. Вместо того, чтобы создавать совершенно новое вещество, экспериментаторы могли изменять свойства графена всего лишь с помощью электрического поля, что сделало его, по мнению многих исследователей, «игровой площадкой» для сверхпроводимости.
«Это захватывающая задача и замечательная особенность скрученного двухслойного графена», — сказал Субир Сачдев, физик, специалист по вопросам конденсированной среды из Гарварда. «Это дает совершенно новый набор инструментов для исследования движения электронов».
Он также предлагал теоретическое руководство. Под магическим углом, равным 1,1 градусу, сотовые решетки графена соединяются таким образом, что обычно быстрые электроны двигаются медленно — физики описывают этот материал как «плоские полосы». Инертные электроны проводят больше времени вместе, что дает им возможность организоваться.
Но руководство было расплывчатым. Электроны в материалах с плоскими полосами могут общаться разными способами, и образование сверхпроводящих пар — лишь один из них. Исследователи сложили много атомных пластин под магическими углами, сглаживающими полосы, но сверхпроводящая молния не захотела быть пойманной в бутылку.
Казалось, они упускают что-то важное.
Вихревые скирмионы
В марте 2018 года, вскоре после открытия сверхпроводимости в скрученном графене, Вишванат и его коллеги попытались демистифицировать магический угол и понять, что может удерживать электроны вместе.
Написать теорию, полностью отражающую движение непослушных электронов в двухслойном графене, было невозможно, поэтому теоретики начали с представления частиц, которые вели себя немного лучше. Они рассматривали гексагональную решетку графена как две подрешетки треугольников. Когда электроны перемещаются от атома к атому, они обычно «прыгают» к атому на противоположной сетке. Иногда бунтарь перескакивает на атом в той же сетке.
Сетка графена
Атомы углерода графена образуют плоскую гексагональную сетку. Исследователи делят эту сетку на две треугольные сетки, чтобы лучше моделировать движение электронов.
Вишванат и компания настаивали на том, что электроны всегда меняли сетку. Этот выбор сделал математически более чистым разделение гексагональной сетки на треугольные. А в двухслойном графене, с его двумя слоями, обнаружилась одна неясная особенность, которая в конечном итоге стала важной: электроны, будучи ограниченными таким образом, начали двигаться, как если бы они находились под влиянием магнитного поля. В частности, электроны в одной подрешетке, по-видимому, ощущали положительное магнитное поле, а электроны другой подрешетки — отрицательное. Теоретики этого не совсем осознавали, но ключ к новой теории сверхпроводимости лежал прямо на поверхности.
Когда в августе 2018 года была применена теория для получения магического угла 1,1 градуса в двухслойном графене, Вишванат и его коллеги начали наращивать количество слоев графена. Теория, которая изначально была разработана для двух слоев, применилась к новым структурам намного лучше, чем ожидалось. Они обнаружили, что могут вычислить магический угол для каждой последующей графеновой стопки с помощью простых соотношений, которые казались недоступными для увеличивающейся сложности более массивных систем.
«В физике конденсированного состояния вы особенно замечаете, что делаете что-то очень близкое к физической или даже практической реальности, но время от времени вы видите этот самый идеальный мир, который незримо скрывается позади», — сказал Вишванат.
По мере того, как группа проводила дальнейшие исследования, добавляя более реалистичные детали к теории, сверхпроводимость появилась, но совершенно по-новому. Возможно, образовывались не пары электронов, а потоки электронов, известные как скирмионы. Поскольку двухслойный графен состоит из двух слоев, он имеет четыре подрешетки, но эти подрешетки с одинаковым магнитным зарядом действуют как одна. Эффективные магнитные поля заставляют электроны, посещающие атомы в одной сетке, стремиться делать поверхность шероховатой, в то время как электроны на другой сетке стремятся делать её гладкой. Эта конфигурация может заблокировать электроны на месте, так что система ведет себя как изолятор. (Любопытно, что эксперименты с купратами и скрученным двухслойным графеном предполагают, что оба материала действуют как изоляторы непосредственно перед тем, как они становятся сверхпроводниками).
Но если вы нарушите баланс дополнительным зарядом, электроны на каждой подрешетке могут принять коллективный вихревой узор — скирмион — где вращающийся электрон в эпицентре бури делает поверхность шероховатой (либо сглаживает её), а его соседи сглаживаются спиралевидно.
Электроны в скрученном многослойном графене могут образовывать вихревые скирмионы — составные элементы, которые действуют как одна частица. Исследователи полагают, что скирмионы на противоположных треугольных подрешетках графена могут объединяться в пары, образуя базовую единицу, необходимую для сверхпроводимости.
Хотя тысячи электронов могут войти в скирмион графена, вихрь действует так, будто это одна частица с зарядом одного электрона. Возможно, вы ожидаете, что отрицательные скирмионы должны отталкиваться друг от друга, но квантово-механические правила, определяющие, как электроны «прыгают» между двумя подрешетками, на самом деле притягивают скирмионы на противоположных сетках вместе. Другими словами, они образуют пары электроноподобных зарядов — фундаментальное требование для сверхпроводимости.
Ключом к истории о скирмионах является поворотная симметрия на 180 градусов, которая определяет перенос электронов между треугольными подрешетками. Прямоугольник обладает такой же симметрией. Она есть и у шестиугольника, и у прямоугольной или шестиугольной решетки. Но складывание и скручивание листов чего угодно, кроме графена, ломает этот уклад. Наконец, Вишванат и его коллеги смогли объяснить, почему «зоопарк» скрученных решеток не смог стать сверхпроводником.
«Это был момент, когда все сошлось», — сказал Халаф.
Теория и графен
Харильо-Эрреро уже думал, что что-то хорошее может выйти из трёх слоёв. Электроны в материалах с плоскими полосами движутся достаточно медленно, чтобы частицы могли работать вместе, но сверхпроводимость может быть усилена за счет «диспергирующих» полос, по которым пары перемещаются легче. Для скрученного двухслойного графена характерно первое. Последнее утверждение характерно для однослойного графена. Объединение их вместе может дать нам лучшее из обоих миров.
Затем последовал прогноз группы Вишваната, что 1,5 градуса — это магический угол для создания сверхпроводящих скирмионов в трех слоях графена.
Помня об этих аргументах, лаборатория Харильо-Эрреро, а также лаборатория Филипа Кима в Гарварде приступили к созданию трехслойных стопок графеновых листов. Обе лаборатории увидели все, что предсказывали теоретики, и даже больше.
Лаборатория Пабло Харильо-Эрреро
Лаборатория Филипа Кима.
Источник фотографий: Брайс Викмарк; Элиза Гриннелл / Harvard SEAS
Если двухслойный графен является площадкой для сверхпроводимости, то трехслойный графен тогда настоящий праздник и фестиваль. Экспериментаторы могут не только точно настроить количество электронов в решетках, они также могут произвольно перемещать электроны между слоями с помощью второго электрического поля. Благодаря такой гибкости исследователи могут искать сверхпроводящие зоны наилучшего восприятия, заставляя электроны чувствовать, будто они движутся через двухслойную систему, однослойную систему или любое количество гибридных систем.
Используя эту беспрецедентную возможность настройки, лаборатории подтвердили, что, в отличие от других скрученных материалов, трехслойный графен проходит все испытания на сверхпроводимость. Они также обнаружили несколько косвенных указаний на то, что сверхпроводимость возникает необычным образом.
Во-первых, электроны очень хорошо взаимодействуют. В обычных сверхпроводниках, где кластеры атомов объединяют свободные электроны в пару, только 1 электрон из 100 000 присоединяется к сверхпроводящей сверхтекучей жидкости. В купратах участвует примерно 1 из 30 свободных электронов. Но в трехслойной системе, по оценкам исследователей, участвует каждый десятый.
Элементы в сверхпроводящих парах — будь то электроны или скирмионы — также находятся довольно близко друг к другу. Концы электронных пар в сверхохлажденном алюминии разнесены на расстояние, в 10 000 раз превышающее среднее расстояние между электронами, что напомиает суп из длинных спагетти. А в трехслойном графене сверхпроводящие пары сбиваются в кучу, как макароны, причем элементы находятся одинаково близко как к “напарнику”, так и к “соседям”.
Учитывая, насколько сложно узнать все происходящее внутри материала на субатомном уровне, еще слишком рано утверждать, что скирмионы обеспечивают сверхпроводимость в многослойном графене. Но для Халафа странное поведение, которое наблюдали Харильо-Эрреро и Ким, сходится с электронными вихрями.
В отличие от стандартных электронных пар, пары скирмионов плотно связываются для получения высокоэффективной сверхпроводимости. Составные объекты также крупны и близко расположенны.
А в стандартных металлах электроны, попадая в состояние, предполагающее выбор из множества возможных действий, приводят к сильной сверхпроводимости. Но когда исследователи предоставили такую свободу электронам в трехслойной системе, сверхпроводимость исчезла. По словам Халафа, это может объясняться тем, что возросшая свобода позволяет скирмионам разваливаться на части.
«Я не думаю, что можно однозначно считать этот сверхпроводник нетрадиционым», — отметил Кори Дин, физик в области конденсированного состояния вещества из Колумбийского университета. Но он добавил, что необычная реакция на возросшую свободу «определенно указывает в обратном направлении».
Если вращательная симметрия, которую выявили Вишванат и его коллеги, действительно имеет решающее значение для сверхпроводимости многослойного графена, материаловеды однажды смогут использовать этот факт, чтобы сориентироваться в поле из многих миллиардов возможных материалов и найти решетку, которая сможет удерживать электроны вместе в теплый день.
Заряды в скрученном графене слишком тонко распределены по гигантским муаровым ячейкам для сверхпроводимости при высоких температурах, но связь, удерживающая их вместе — будь то скирмионы или что-то еще — кажется прочной. Исследователи надеются, что дальнейшее изучение скрученного графена и теорий, объясняющих его необычные свойства, позволит объяснить его надежную сверхпроводимость и указать путь к решетке, которая может поглощать больше тепла.
“Если вы получите такой же эффект в масштабе атомов, то это будет действительно применимо”, — сказал Сачдев. (я это опустила, обобщила)
Читайте также: