Традиционные сверхпроводники имеют под собой хорошую теоретическую базу, тогда как новые виды сверхпроводимости в нетрадиционных материалах описаны недостаточно подробно, и исследователи движутся к открытиям буквально наощупь. Однако группа китайских учёных синтезировала новый класс сверхпроводящих материалов, поиск которого велся осмысленно, а не наугад, как это зачастую бывает в сфере сверхпроводников.

Источник изображения: Patrick Gaillardin/Look At Sciences/SPL

По словам Лилии Боэри (Lilia Boeri), физика из Римского университета Сапиенца (Sapienza University of Rome), успехи исследователей SUSTech в точном проектировании свойств материала помогут лучше понять нетрадиционную сверхпроводимость: «Идея о том, что у вас есть система, которую вы можете как бы экспериментально настроить, — это нечто весьма захватывающее».

Ещё в 2019 году физики из Южного университета науки и технологии (SUSTech) в Шэньчжэне (Китай) обнаружили признаки того, что содержащие никель соединения ведут себя аналогично сверхпроводникам, хотя и при температурах значительно ниже. Структурное сходство этих материалов с купратами породило надежду на то, что никелаты — соединения на основе никеля — можно заставить работать при более высоких температурах, как высокотемпературные сверхпроводники.

С тех пор никелаты стали претендовать на звание третьего класса нетрадиционных сверхпроводников после купратов (соединений меди) и пниктидов (соединений железа). Никелаты демонстрировали признаки сверхпроводимости при достаточно низкой температуре (-228 °C), но при обычном атмосферном давлении, что само по себе уже можно назвать прорывом.

Источник изображения: ИИ-генерация DALL·E/3DNews

В свежей работе, опубликованной в журнале Nature, учёные SUSTech сообщили о синтезе тонкой плёнки никелата, демонстрирующей при обычном атмосферном давлении все признаки сверхпроводимости — от нулевого сопротивления току до вытеснения магнитного поля при температурах ниже критической.

«Есть огромная надежда, что в конечном итоге мы сможем повысить критическую температуру и сделать [такие материалы] более полезными для практического применения», — заявил Даньфэн Ли (Danfeng Li), физик из Городского университета Гонконга.

Купраты сегодня демонстрируют сверхпроводимость при температуре -123 °C. Никелаты пока значительно уступают им по этому параметру, но открытие китайских учёных, которые осознанно синтезировали новый материал и добились желаемого результата, заложило основу для создания материалов того же класса с более высокой критической температурой.

Эта и другие работы привлекли внимание множества лабораторий по всему миру. Учёные стремятся детально изучить новые материалы и добиться прорывных открытий, способных революционизировать энергетику, медицинскую диагностику, магнитный транспорт и другие передовые технологии.

Международная группа физиков во главе с учёными из Йельского университета в США представила самые убедительные на сегодняшний день доказательства существования нового типа сверхпроводящих материалов. Подтверждение существования нематической фазы вещества является научным прорывом, который может открыть путь к созданию сверхпроводимости новым способом.

Фазовая диаграмма FeSe1−xSx, кристаллическая и электронная структура сверхпроводящего соединения FeSe0.81S0.19 / Источник: Nature Physics

Теория сверхпроводимости включает в себя раздел, в котором описывается, как протекание электрического тока без сопротивления можно объяснить электронной нематичностью или фазовым состоянием вещества, при котором частицы нарушают свою вращательную симметрию. В теории химические соединения могут обеспечить существование нематической фазы. Это связано с тем, что в условиях комнатной температуры для электрона в атомах горизонтальные и вертикальные направления потенциального движения не различимы по свойствам. При существенно более низких температурах электроны могут переходить в нематическую фазу, в которой одно из направлений становится для частиц более предпочтительным. В некоторых случаях электроны колеблются, отдавая предпочтение то одному, то другому направлению. Такое поведение электронов называют нематическими флуктуациями.

Долгие годы физики не могли доказать существование сверхпроводимости, возникающей из-за нематических флуктуаций. Теперь же учёные сумели экспериментально подтвердить существование нужной фазы вещества в смеси селенидов железа и серы. «Это идеальные материалы для нашего исследования, поскольку они демонстрируют нематический порядок и сверхпроводимость без магнетизма, который затрудняет их изучение», — рассказал руководитель исследования Эдуардо да Силва Нето (Eduardo H. Da Silva Neto).

В ходе эксперимента исследователи охладили образцы материала до температуры ниже 500 милликельвин. В таком состоянии практически прекращаются все движения и колебания атомов. Для наблюдения за образцами использовался сканирующий туннельный микроскоп (СТМ), с помощью которого можно получать изображения квантовых состояний электронов. Учёные сосредоточились на изучении образцов, в которых были более выраженные нематические флуктуации. Им требовалось обнаружить «энергетическую щель», которая является показателем наличия и силы сверхпроводимости. В ходе эксперимента было доказано существование нужного разрыва, который полностью соответствовал теоретическим параметрам сверхпроводимости, вызванной электронной нематичностью.

«Доказать существование разрыва было очень трудно, потому что для точного измерения разрыва требуются сложные СТМ-измерения при очень низких температурах. Следующий шаг — изучить этот процесс ещё внимательнее. Что произойдёт со сверхпроводимостью при увеличении содержания серы? Исчезнет ли она? Вернутся ли спиновые флуктуации?», — рассказал о дальнейших планах да Силва.

В дальнейшем учёные смогут не фокусироваться на магнитных параметрах сверхпроводимости, как это делали прежде. Одним из перспективных направлений для будущих исследований станет управление нематическими флуктуациями. Потенциально это может привести к созданию сверхпроводников, способных работать при более высоких температурах.