Инженеры смогли заставить сверхпроводники работать при невозможных ранее температурах

Важнейшая особенность сверхпроводимости только что была замечена при гораздо более высоких температурах, чем считалось ранее. Физики обнаружили в самом неожиданном материале способность электронов объединяться в пары, как это происходит в сверхпроводящих материалах, при температуре выше той, при которой подобные материалы обеспечивают сверхпроводимость.

Сверхпроводимость — это движение электронов без какого-либо сопротивления и последующей потери энергии. Такое явление наблюдается в различных материалах, но только при очень низких температурах, близких к абсолютному нулю (-273,15 градуса Цельсия, или -460 градусов по Фаренгейту), или при чуть менее низких температурах, но при условии высокого давления.

Хотя электроны в новых испытуемых материалах не достигли беспрепятственного движения, их объединение в пары — критический шаг, необходимый для его возникновения, что может привести к сверхпроводимости, для которой не понадобится специальное оборудование.

«Образование пар электронов свидетельствует о тенденции к свехпроводимости, — говорит физик Ке-Джун Сюй из Стэнфордского университета. — Если нам удастся найти новый метод синхронизации пар, мы сможем использовать его для создания более высокотемпературных сверхпроводников».

Материал представляет собой многослойный кристалл, или купрат под названием оксид меди неодим-церий (Nd2-xCexCuO4). При низких температурах он демонстрирует сверхпроводимость, но при более высоких температурах становится значительно более устойчивым.

Чтобы сверхпроводимость стала возможной, электроны должны объединиться, превратившись в так называемую куперовскую пару. Только тогда они смогут плавно перемещаться без особых усилий. Обычно сверхпроводимость наблюдается при температуре ниже 25 кельвинов (-248 градусов Цельсия, или -415 градусов по Фаренгейту).

Купраты — нетрадиционные сверхпроводники, проявляющие сверхпроводимость при температурах до 130 кельвинов. Ученые полагают, что за объединение электронов в этих материалах отвечает другой механизм, однако точный процесс все еще остается неясным.

Материал, который изучали Сюй и его команда, похож на обычный сверхпроводник тем, что не проявляет этого явления при температуре выше 25 кельвинов, что позволяет им изучать стадии сверхпроводимости. Когда электроны связываются, они становятся менее устойчивыми к выбросу из материала при повышении температуры, то есть материал теряет энергию с меньшей скоростью.

Команда наблюдала, что материал сохраняет больше энергии при температурах до 140 кельвинов (-133 градуса по Цельсию или -207 градусов по Фаренгейту). Этот показатель намного выше, чем температура перехода к сверхпроводимости в 25 кельвинов. Сверхпроводимость при комнатной температуре — это очень важно. При 100%-й энергоэффективности можно было бы вместить больше энергии в меньшее пространство для более быстрой и дешевой технологии.

«Наши результаты открывают потенциально широкие возможности для дальнейших исследований, — говорит физик Чжи-Сюнь Шен из Стэнфордского университета. — Мы планируем изучать это явление в будущем, чтобы помочь в разработке сверхпроводников с помощью новых методов. С одной стороны, мы планируем использовать аналогичные экспериментальные подходы в SSRL, чтобы получить дальнейшее представление об этом некогерентном состоянии спаривания. С другой стороны, мы хотим найти способы манипулирования этими материалами, чтобы, возможно, заставить эти некогерентные пары синхронизироваться».

Другая группа ученых продемонстрировала, что углекислый газ может быть преобразован в жидкое топливо под названием метанол. Этот процесс происходит за счет того, что молекулы фталоцианина кобальта (CoPc) равномерно распределяются на углеродных нанотрубках — графеноподобных трубках, обладающих уникальными электрическими свойствами. На их поверхности находился раствор электролита, который при пропускании через него электрического тока позволяет молекулам CoPc принимать электроны и использовать их для превращения углекислого газа в метанол.