Теплая сверхпроводимость освобождается от атомных оков

Резонирующие атомы кислорода – размытые нечеткие изображения – между двойными слоями диоксида меди (медь – желтая, кислород – красный). Иллюстрация Physorg

Магнитно-резонансные томографы и Большой адронный коллайдер были бы невозможны без сверхпроводимости, достигаемой при глубоком охлаждении устройств. Охлаждение способствует возникновению так называемых куперовских пар электронов, которые проходят в веществе, не взаимодействуя с электронными оболочками атомов.

Открытие много лет назад высокотемпературной сверхпроводимости – квантового эффекта, достигаемого при температуре жидкого азота, – вселило надежды на то, что со временем удастся добиться прохождения куперовских пар без электрического «трения» и в обычных условиях, при комнатной температуре. И вот, похоже, мечта ученых близка к осуществлению.

Журнал Nature опубликовал статью, полученную из гамбургского Института изучения структуры и динамики материи, в которой описано явление исчезновения сопротивления при комнатной температуре. Достигается этот эффект при коротких вспышках лазера, которые вызывают резонансные колебания возбужденных атомов кислорода. Колебания последнего между двойными слоями диоксида меди (CuO2) приводит к нарушению равновесия кристаллической решетки материала. В результате происходит расхождение слоев диоксида меди и одновременно увеличивается расстояние между двойными слоями медного окисла. Все это, по мнению авторов работы, способствует возникновению сверхпроводимости при комнатной температуре.

Наиболее применимой сверхпроводящей керамикой сегодня считается YBCO – иттрий, барий, углерод, кислород. Особенностью керамики является наличие в ней тонких сверхпроводящих двойных слоев CuO2, перемежающихся более толстыми промежуточными слоями с барием. Усилия разных научных команд привели к открытию реальной сверхпроводимости при облучении инфракрасным лазером, импульсы которого меняют соединение двойных слоев с общей структурой керамического материла. Понимание механизма возникновения сверхпроводящего состояния пришло после облучения YBCO-керамики мощным рентгеновским лазером.

Но даже энергии инфракрасных импульсов хватает на то, чтобы нацеленно возбуждать определенные атомы в кристаллической решетке. Они начинают колебаться в нужном режиме, сдвигаясь в нужное положение. Освобождение от атомных оков приводит к увеличению толщины двойных слоев на два пикометра – 0,002 нанометра (1% атомного диаметра). Это облегчает прохождение электронных пар в результате «снятия» тормозящего сопротивления.

В более сложном объяснении речь идет о повышении квантового «спаривания» (coupling) двойных слоев. В результате кристалл становится сверхпроводящим. Проблема только в том, что сверхпроводимость при комнатной температуре в подобном режиме длится не более нескольких пикосекунд…

Тем не менее достигнутый результат проясняет некоторые аспекты пока еще не совсем ясного явления сверхпроводимости, изучаемого вот уже более века. У ученых появился стимул к получению сверхпроводящих материалов нового поколения, которые не будут требовать охлаждения с помощью сжиженных гелия и азота. Что-то будет еще через век…