Преамбула Відділення фізики і астрономії НАН України
Відколи голландський учений Гейке Камерлінг-Оннес відкрив явище надпровідності при температурах, близьких до температури абсолютного нуля (–273оС), воно вважалося виключно низькотемпературним. А багаторічні невдалі спроби знайти речовину, котра мала б температуру надпровідного переходу в околі температури конденсації рідкого азоту (приблизно –196оС), призвели до припущень, що самою природою заборонено існування надпровідників із більш-менш високими температурами.
Перший прорив стався у 1986 році, коли несподівано було відкрито високотемпературні надпровідники (ВТНП) із температурами близько і вище –196оС, проте «заборону» подолали – до фізичного вжитку потрапив новий термін КТНП, перші дві літери якого означали слово «кімнатнотемпературні». Фактично було поставлено нову мету, і от зовсім нещодавно в одному з найпрестижніших світових наукових журналів «Nature» (див. Nature 586, 349 (2020)) з’явилася робота з першого спостереження надпровідного переходу при +15 градусів Цельсія. Ідеться про сполуку водню, вуглецю й сірки, що подолала символічний бар’єр, але за умов дуже високого тиску, що ускладнюють аналіз результатів. Залежність температури надпровідного переходу від тиску |
Переклад статті
Учені справді створили загадковий матеріал, який, здається, проводить струм без будь-якого опору при практично кімнатній температурі. Це новий безумовний рекорд надпровідності. Сам матеріал іще недостатньо вивчений, але демонструє потенціал класу надпровідників, виявлених у 2015 році.
Проте цей надпровідник має одне серйозне обмеження: він «виживає» лише під надзвичайно високим тиском, наближеним до того, що в центрі Землі, а це означає, що навряд чи він матиме швидке практичне застосування. Тим не менше, фізики сподіваються, що це може відкрити шлях для розроблення нових матеріалів із нульовим опором при нормальній температурі, які можуть функціонувати й при менших тисках.
Слід зауважити, що надпровідники мають численні технологічні застосування – від апаратів для магнітно-резонансної томографії до веж для мобільного зв’язку, й дослідники починають експериментувати з ними у високоефективних генераторах для вітрових антен. Але їхня корисність усе ще обмежена потребою у кріогенних речовинах. Звичайні надпровідники працюють при атмосферному тиску, але лише у тому разі, коли вони дуже холодні. Навіть найсучасніші ВТНП – керамічні матеріали на основі оксиду міді – працюють лише нижче –140°C. Надпровідники, які працюють при кімнатній температурі, тобто КТНП, можуть мати великий технологічний вплив, наприклад, в електроніці, яка працює швидше, не перегріваючись.
Найновіше дослідження, опубліковане в журналі «Nature» 14 жовтня 2020 року (Nature 586, 373–377 (2020)), схоже, дає переконливі докази високотемпературної провідності, – каже фізик Михайло Єремець (Mikhail Eremets) з Інституту хімії Товариства Макса Планка в Майнці (Німеччина), хоча додає, що хотів би бачити оригінальні дані з експерименту. І говорить, що це підтверджує напрям роботи, розпочатий ним у 2015 році, коли його група повідомила про перший високотемпературний надпровідник – сполуку водню та сірки, яка мав нульовий опір до температури –70°C.
Ще 2018 року було показано, що під високим тиском сполука водню й лантану є надпровідною при –13°C. Але останній результат свідчить про те, що вперше така надпровідність спостерігалась у сполуці з трьох, а не двох елементів – матеріалі, виготовленому з вуглецю, сірки та водню. Додавання третього елемента значно розширює комбінації, які можуть бути включені в майбутні експерименти з пошуку нових надпровідників, – говорить співавтор дослідження Ашкан Саламат (Ashkan Salamat), фізик з Університету Невади (Лас-Вегас, США). «Ми відкрили нову галузь досліджень», – каже він.
Маддурі Сомаязулу (Maddury Somayazulu) з Аргонської національної лабораторії (штат Іллінойс, США) – матеріалознавець, фахівець зі сполук, які перебувають під високим тиском, – стверджує, що вже можуть використовуватися матеріали, надпровідні під високим, але не екстремально високим тиском. За його словами, дослідження показує, що «розумно вибираючи третій і четвертий елементи», в принципі, можна знизити необхідний тиск у надпровіднику.
Робота також підтверджує прогнози кількадесятирічної давнини від фізика-теоретика Ніла Ашкрофта (Neil Ashcroft) з Корнельського Університету (штат Нью-Йорк, США) про те, що багатий на водень матеріал може бути надпровідним за температур, значно вищих, ніж вважалося за можливе. «Гадаю, поза співтовариством високого тиску було дуже мало людей, які сприймали його серйозно», – говорить Сомаязулу.
Таємничий матеріал
Фізик Ранга Діас (Ranga Dias) з Університету Рочестера у Нью-Йорку разом з Ашканом Саламатом та іншими співробітниками помістив суміш вуглецю, водню й сірки в мікроскопічну нішу, яку вони вирізали між кінчиками двох діамантів. Потім вони за допомогою лазерного світла викликали у зразку хімічні реакції та спостерігали за утворенням кристала. Коли вони знижували експериментальну температуру, опір струму, що пройшов крізь матеріал, падав до нуля, вказуючи на те, що зразок став надпровідним. Згодом вони збільшили тиск і виявили, що цей перехід відбувався при дедалі вищих і вищих температурах. Найкращим їхнім результатом стала температура переходу 287,7оК при 267 гігапаскалях, що в 2,6 мільйона разів вище атмосферного тиску на рівні моря.
Дослідники також знайшли деякі докази того, що кристал виштовхував магнітне поле при температурі переходу, що вважається вирішальним для доведення факту появи надпровідності. Але багато чого про матеріал залишається невідомим, попереджають дослідники. «Є чимало справ, які потрібно зробити», – каже М. Єремець. Навіть точна структура кристалу та хімічна формула остаточно ще не зрозумілі. «З підвищенням тиску розмір зразка зменшується, – говорить Саламат. – Це ускладнює подібні вимірювання».
Надпровідники при високому тиску, виготовлені з водню та ще одного елемента, добре відомі та непогано вивчені. При цьому дослідники здійснили комп’ютерне моделювання сумішей вуглецю, водню та сірки під високим тиском, – каже Єва Зюрек (Eva Zurek), хімік-обчислювач із Нью-Йоркського державного університету в Буффало (США). Проте вона стверджує, що ці дослідження поки що не дають підстав пояснити надзвичайно високі надпровідні температури, які спостерігає група Р. Діаса. «Упевнена, що після публікації цього результату багато теоретичних та експериментальних груп звернуться до цієї проблеми», – говорить вона.
* * *
Післямова Відділення фізики і астрономії НАН України
Власне, так і сталося: буквально днями з’явився препринт, у якому на позір опубліковані революційні результати з відкриття КТНП піддалися сумніву. Отже, нас чекають нові дослідження, і було б добре, якби до них змогли долучитися й українські фізики. За інформацією Відділення фізики і астрономії НАН України