Открыт новый тип сверхпроводимости

В Институте структуры и динамики материи (Гамбург, Германия) исследователи смогли получить сверхпроводники без использования мощных криокамер. Это открывает новые возможности для целого ряда областей – от развития медицинской диагностики до физики высоких энергий.

К настоящему времени были открыты разные сверхпроводники — уникальные материалы, у которых электрическое сопротивление может стать строго нулевым ниже определённого значения температуры. Это происходит из-за того, что при глубоком охлаждении проводника носители заряда в нём начинают двигаться согласованно и без столкновений с узлами кристаллической решётки. Они образуют куперовские пары, в которых электроны связаны между собой фононами – квантами колебательного движения атомов. За счёт них поток носителей заряда синхронизируется с медленными тепловыми колебаниями атомов, которые больше ему не препятствуют. Дополнительно исчезает волновое сопротивление, поскольку в сверхпроводнике происходит полное вытеснение магнитного поля.

С практической точки зрения основная проблема заключается в том, что большинство известных сверхпроводников становятся таковыми при температуре чуть выше абсолютного нуля. Столь низкую температуру сложно поддерживать длительно и в большом объёме, поэтому для промышленного использования приходится создавать огромные криогенные установки.

Шесть сверхпроводящих магнитов на детекторе БАК в эксперименте ATLAS (фото: CERN).

В конце прошлого века получили распространение материалы, обладающие нулевым сопротивлением при температуре выше точки кипения жидкого азота (77 K). Они имеют свои недостатки, поэтому ограниченно подходят для создания электромагнитов со сверхпроводящей обмоткой. Такие супер-соленоиды установлены в ЯМР-томографах и на подвеске маглевов. В детекторах Большого адронного коллайдера и катушках тороидального поля (включая установленные в ITER) для охлаждения приходится использовать жидкий гелий с температурой кипения 4 K.

Охлаждение жидким азотом и особенно гелием – дорогое удовольствие, поэтому вместе с итальянскими физиками и коллегами из Общества Макса Планка международная научная группа пыталась создать условия для возникновения сверхпроводимости без использования громоздких криогенных камер. Она изучала электрические свойства фуллеренов — углеродных многогранников, чьи молекулы похожи на футбольные мячи. При добавлении к ним других элементов они образуют фуллерениды – соединения с упорядоченной 3D-структурой.

С начала девяностых годов было известно, что многие фулерениды ведут себя как сверхпроводники при температуре ниже 20 K. Однако только недавно было показано, что под воздействием импульсов лазера они способны оставаться сверхпроводниками и при более высоких температурах.

Синхронизация тепловых колебаний атомов фуллерена С60 под действием импульсов лазера (изображение: J.M. Harms/MPI for the Structure and Dynamics of Matter).

Пока наибольших успехов удалось добиться при использовании фуллеренида калия (K₃C₆₀). Под воздействием оптических импульсов инфракрасного лазера это соединение начинало проявлять свойства сверхпроводника уже при 100 K (-173 °С). Экспериментаторов удивило другое: оно утрачивало сверхпроводящие свойства при более низких температурах.

Один из авторов исследования – доктор Стефен Кларк (Stephen Clark), поясняет, что хотя синхронизирующее воздействие на фуллерениды лазерных импульсов среднего ИК-диапазона очевидно, полностью физика этого эффекта им самим ещё не ясна. Для подтверждения предварительных выводов требуются дополнительные эксперименты и независимые проверки.

«Несмотря на то, что одни только оптические методы не могут достоверно подтвердить наблюдаемую нами неравновесную высокотемпературную сверхпроводимость, мы предлагаем это как возможное объяснение наших результатов», – пишет он в автореферате научной статьи.

3D-структура фуллеренида K3C60 (смоделирована в ChemTube3D).

Кларк, предполагает, что его группа нашла совершенно новый тип сверхпроводимости, который возникает под действием лазера при более высоких температурах. Это гораздо более ценная находка, чем способ улучшить параметры известных сверхпроводников.

Использование в эксперименте фуллеренов объясняется их идеальной пространственной структурой, за изменениями которой проще наблюдать. Это лишь модельное вещество для изучения открытого явления. «Наши результаты демонстрируют новое направление для разработок в области сверхпроводимости», – говорит Кларк.

Основными кандидатами на промышленное использование долгое время считались сверхпроводники на основе иттрий-бариевой керамики и соединений меди – купратов, а также металлический водород, если его удастся получить. Если открытие нового типа сверхпроводимости подтвердится, конструкция томографов, маглевов, токамаков и ускорителей элементарных частиц существенно упростится.