Открыт новый элементарный сверхпроводник

Джеймс С. Шиллинг (James S. Schilling), профессор физики из Вашингтонского университета в Сент-Луисе, совместно со своим докторантом обнаружили, что европий становится сверхпроводником при 1,8 °К и давлении в 80 ГПа, что делает его 53-м из известных элементарных сверхпроводников и 23-м элементом, получающим такие свойства при воздействии высокого давления.

Это открытие добавляет данные для более точного понимания теоретических основ сверхпроводимости, что может привести к созданию сверхпроводников, работающих даже при комнатной температуре, и позволит их использовать для создания энергоэффективного транспорта и хранилищ. "Прошло семь лет с момента открытия предыдущего элементарного сверхпроводника", — говорит Шиллинг. "Это становится все сложнее и сложнее, поскольку в периодической таблице остается всего несколько свободных элементов". Исследование Шиллинга было проведено в рамках четырехлетнего гранта размером в $500 тыс. от Национального научного фонда, Направления по испытаниям материалов (National Science Foundation, Division of Materials Research).

"Сверхпроводимость и магнетизм являются антагонистами. Чтобы получить сверхпроводимость, необходимо избавиться от магнетизма", — поясняет Шиллинг. Из редкоземельных элементов европий, вероятнее всего, утрачивает магнетизм под высоким давлением благодаря своей электронной структуре. В твердом состоянии все редкоземельные элементы трехвалентны, каждый атом предоставляет три электрона для создания связей.

"Однако, когда атомы европия сжимаются, остаются только два электрона каждого атома, и европий остается магнетиком. Приложение необходимого давления вытесняет третий электрон, и металлический европий становится трехвалентным. Такой европий не обладает магнитными свойствами, так была открыта возможность создания сверхпроводимости под особыми условиями", — заключил Шиллинг.

Шиллинг использовал алмазную пластину для создания высокого давления на образец. Круглый металлический уплотнитель отделял две противоположные 0,17-каратные алмазные пластины диаметром в 0,18 мм. Образец помешался в отверстие этого уплотнителя, выступая с обеих сторон. Давление прикладывалось к пространству образца с помощью тороидальной гофрированной мембраны с газообразным гелием. За счет малой площади контакта небольшая прикладываемая сила оказывала на образец значительное воздействие.

Сверхпроводящие материалы имеют уникальные электрические и магнитные свойства. Они лишены электрического сопротивления и являются диамагнетиками. Эти свойства могут быть использованы для создания мощных магнитов для рентгенографии, постройки эффективных ЛЭП и электрогенераторов. Однако пока неизвестны материалы, обладающие свойствами сверхпроводников при нормальных условиях. Все известные материалы для достижения таких свойств необходимо подвергать воздействию экстремально низких температур и высокого давления.

При внешнем давлении наиболее высокая температура, при которой проявляются свойства сверхпроводимости, составляет 134 °К. "Это комплексный материал, состоящий из пяти различных элементов. И мы до сих пор не понимаем, почему он такой хороший сверхпроводник", — поясняет Шиллинг. Ученые не имеют достаточного теоретического понимания, достаточного для создания комбинации элементов сверхпроводника, который бы мог существовать при комнатной температуре и нормальном давлении. Результаты работы Шиллинга добавляют новые данные, которые могут помочь в уточнении существующей теоретической модели сверхпроводника.

"Гипотетически, металлические элементы сравнительно легко понять, поскольку они содержат один вид атомов" — говорит Шиллинг. "Прикладывая давление, мы вводим эти элементы в новые условия, где наша теория имеет сложности с пониманием некоторых вещей. Когда нам станет понятно поведение элементов в этих условиях, мы сможем использовать это для сочетания элементов в различные структуры, которые будут обладать сверхпроводимостью и при более высокой температуре".