Квантовое исследование проливает свет на загадку высокотемпературной сверхпроводимости

Международная группа ученых сделала новое открытие, которое поможет раскрыть тайну высокотемпературной сверхпроводимости и решить мировые энергетические проблемы.
В статье ученых из Китая и Австралии, вышедшей в Nature, описывается новое экспериментальное наблюдение, позволяющем количественно оценить спаривание псевдощелей в сильно притягивающем взаимодействующем облаке атомов лития. Это подтверждает спаривание частиц до того, как они достигнут критической температуры.

Сверхпроводимость — это полное отсутствие электрического сопротивления и восприимчивости к внешнему магнитному полю. Этот эффект был открыт еще в начале XX века, но проблема в том, что он возникает только при очень низких (в сотни градусов ниже нуля по Цельсию) температурах. Критическая температура — температура, при которой «включаются» сверхпроводящие свойства.

Уже несколько десятилетий ученые ищут высокотемпературные сверхпроводники — те, что могут работать при «комнатной температуре». В последнее время температуру удалось существенно повысить, но не настолько, чтобы это было практически применимо. Высокотемпературные сверхпроводящие материалы открывают перспективу значительного повышения энергоэффективности за счет создания более быстрых компьютеров, новых устройств хранения данных и сверхчувствительных датчиков. В перспективе это может быть даже транспорт, в буквальном смысле летящий над сверхпроводниковой дорогой почти без расхода энергии и сопротивления, кроме сопротивления воздуха.

В каждом атоме есть энергетические уровни. Если говорить очень упрощенно, их можно сравнить с «орбитами» электронов — то, на какой «орбите» находится электрон, создает (или нет), в числе прочих, свойство проводимости. Когда материал переходит в состояние сверхпроводника, частицы на «орбитах» склеиваются в пары (спариваются), образуя «энергетическую щель» в уровнях — своеобразную «пустую орбиту». Но склеиваются не все, а лишь находящиеся на строго определенном уровне — так называемом уровне Ферми.

Парадоксальным образом в некоторых материалах были обнаружены «псевдощели» — «пустые орбиты», похожие сверхпроводящие, но при относительно высокой температуре и без сверхпроводящих свойств. Многие исследователи считают, что эти псевдощели могут стать ключом к созданию «комнатных» сверхпроводников — это может оказаться как бы «предсверхпроводник». Но явление еще в большой степени загадочно. 

Чтобы найти сверхпроводящие свойства, ученые экспериментируют с очень разными материалами — в данном случае использовался литий-6. В новой работе авторы надежно и качественно получили эти самые загадочные «псевдощели», попутно измерив некоторые их свойства. Удалось также показать, что «псевдощели» действительно предшествуют сверхтекучести. Все происходит еще при низких температурах, но — выше критических.

«Этого удалось добиться благодаря современным методам подготовки однородных облаков Ферми и устранения нежелательных межатомных столкновений с ультрастабильным контролем магнитного поля на беспрецедентном уровне. Новые технические достижения приводят к наблюдению псевдощели без необходимости привлекать какие-либо дополнительные теории для соответствия экспериментальным данным. Открытие, несомненно, будет иметь далеко идущие последствия и может привести к потенциальным применениям в будущих квантовых технологиях», — говорит Хуэй Ху, один из авторов исследования.