Рекордно теплый сверхпроводник работает при температуре Антарктиды

Новые температурные рекорды сверхпроводимости ставятся в последнее время довольно часто. В последний раз физики показали, что материал способен передавать электроэнергию без сопротивления при минус 70 градусах по Цельсию, и продемонстрировали эффект Мейснера, доказывающий присутствие феномена сверхпроводимости.

Теперь та же команда учёных во главе с Михаилом Еремецом (Mikhail Eremets) из Института химии общества Макса Планка, которая также в 2014 году продемонстрировала, что сверхпроводник может работать при минус 83,15 °C и высоком давлении, представила результаты своего нового исследования. В ходе него было окончательно доказано, что эффект сверхпроводимости проявляется при температурах, близких к естественному холоду, к примеру, в Антарктиде.

Выводы учёных изложены в статье журнала Nature.

Исследователи провели эксперимент, в ходе которого использовали алмазную наковальню, чтобы сжать крошечное количество сероводорода давлением, в 1,6 миллиона раз превышающим атмосферное.

Несмотря на то, что сероводород наиболее известен как токсичный бесцветный газ с запахом тухлых яиц, когда он охлаждается и выдерживается при высоком давлении, то превращается в металл. Оказалось, что этот металл, созданный в алмазной наковальне, становится сверхпроводником и работает при минус 70 градусах по Цельсию (прежний рекорд ― минус 110 градусов по Цельсию).

Сейчас физики затрудняются сказать, почему проявляется такой эффект, однако у них есть предположение. За трансформацию в сверхпроводник у сероводорода могут отвечать ионы водорода, которые помогают электронам формировать так называемые куперовские пары. А при такой конфигурации электрический заряд действительно проходит через материал быстрее.

Электроны, проходящие через металл, постоянно сталкиваются с ионами, теряя энергию с каждым отскоком. При этом в ходе данного процесса они слегка смещают положительные ионы в металле, создавая небольшие облака положительного заряда. Эти облака могут притягивать электроны, в результате чего и образуются куперовские пары, которые, в свою очередь, с гораздо меньшей вероятностью отскочат от ионов и потеряют свою энергию.

Именно в силу этого эффекта, как считают физики, пары электронов гораздо более эффективно проводят электричество, нежели одиночные частицы.

Впрочем, силы, удерживающие вместе эти куперовские пары, довольно слабы, и любая тепловая энергия в системе легко их разрушает. Поэтому, как правило, сверхпроводники работают только при очень низких температурах.

Новый сверхпроводник, тем не менее, имеет существенные отличия, которые позволяют ему работать при относительно высоких температурах. Положительные ионы твёрдого сероводорода представлены лёгкими ионами водорода, которые гораздо проще смещаются электронами со своих позиций.

Это может означать, что положительно заряженные облака ионов в данном случае оказываются более плотными, и электроны образуют более прочные куперовские пары, которые гораздо сложнее разрушить при помощи тепловой энергии.

Ведущий автор исследования Михаил Еремец искренне надеется, что в ближайшее время рекорд его команды будет побит. По его словам, в мире существует ещё немало материалов, которые потенциально могут быть сверхпроводниками и при ещё более высоких температурах.

Так, другие учёные уже показали, что хороший потенциал демонстрируют платина, калий, селен и теллур, встроенные на место серы. Также эффект высокотемпературной сверхпроводимости проявляется при замене части серы на фосфор.