Правообладатель иллюстрации Thinkstock Image caption Сверхпроводники можно применять для создания электросетей

Примерно при температуре -270 градусов по Цельсию некоторые металлы пропускают электрический ток без сопротивления. Однако ученые научились достигать сверхпроводимости и при более высокой температуре около 130 кельвинов (-143 по Цельсию), и не останавливаются на достигнутом, полагая, что это ценное свойство можно воспроизвести и при комнатной температуре.

Сверхпроводники характеризуются полным отсутствием сопротивления. Так называемые сверхпроводники I рода полностью вытесняют магнитное поле.

Подобные же вещества II рода допускают наличие сверхпроводимости и сильного магнитного поля одновременно, что делает их спектр применения крайне широким.

Что есть сверхпроводимость?

Само явление было описано нидерландским химиком и физиком Хейке Каммерлингом-Оттесом в 1911 году. Он стал лауреатом Нобелевской премии двумя годами позже.

Впервые понятие сверхпроводимости появилось в научных работах советского академика Льва Ландау, который, кстати, тоже удостоился за свою работу Нобелевской премии в 1962 году.

Сверхпроводимость металлов объясняется при помощи концепции так называемых "пар Купера": двух объединенных через квант электронов с суммарно нулевым моментом импульса.

Подобные спаривания электронов возникают в кристаллической решетке некоторых металлов при охлаждении до экстремально низких температур.

Однако позднее с помощью купратов - керамик с высоким содержанием меди - ученые добились возникновения сверхпроводимости при температурах, существенно превышающих точку кипения азота (-196 по Цельсию), что, с учетом широкого производства жидкого азота, делает вещества с отсутствующим сопротивлением относительно удобными в применении.

Благодаря этим экспериментам сверхпроводники получили широкое распространение и применяются сегодня, в частности, для формирования изображения в приборах медицинской диагностики, таких как магнитные сканеры и магнитные резонаторы.

Они также широко используются в ускорителях частиц в физических исследованиях.

И тут графен?

Профессор хельсинкского Университета Аалто и Института теоретической физики имени Ландау РАН Григорий Воловик в рамках московской Международной конференции по квантовым технологиям рассказал о возможном получении сверхпроводимости при высоких температурах с помощью графена - плоской модификации .

Графену, как и сверхпроводникам, прочат блестящее будущее - им интересуются производители как лампочек, так и бронежилетов, не говоря уже о его перспективах в микроэлектронике.

Правообладатель иллюстрации IBM Image caption В обычных условиях графен проявляет свойства полупроводника

Его потенциал физики-теоретики описывали в течение всего XX века, однако до практических исследований дело дошло лишь в XXI веке: именно за описание свойств графена, выделенного из графита, выходцы из России Константин Новоселов и Андрей Гейм .

По словам Воловика, знания о свойствах электромагнитных полей могут дать возможность построить сверхпроводник на основе плоских энергетических зон, которые можно наблюдать в "идеальном" графене.

И всё же - как быть с комнатной температурой?

Плоская зона, характерная для идеального графена, должна отличаться нулевой энергией во всей своей плоскости.

Однако реальная структура двумерной аллотропной модификации углерода часто напоминает по структуре "расплющенную колбасу", говорит профессор Воловик.

Тем не менее, специалисты не унывают: в данный момент теоретики прорабатывают несколько вариантов появления необходимой для создания сверхпроводимости в комнатных условиях плоской энергозоны, среди которых - сверхохлажденные газы.

В прошлом году американские физики из Стэнфордского университета поняли, как можно воплощать сверхпроводимость графена на практике при помощи наложенных "бутербродом" друг на друга слоев одноатомного углерода - собственно, графена - и кальция.

Поскольку чуть более года назад британские ученые , речь может идти о заметном удешевении производства необходимых материалов.

Задачей, как говорят все упомянутые специалисты, сейчас является изыскание путей производства бездефектного графена в больших объемах.

Твёрдое, жидкое, газ, плазма... что еще?

Одним из состояний вещества, для которого наблюдаются сверхпроводимость и прочие квантовые эффекты, является конденсат Бозе-Эйнштейна, названный так по теоретическим работам индийского физика Сатьендры Бозе и Альберта Эйнштейна.

Правообладатель иллюстрации Science Photo Library Image caption Сатьендра Бозе стоял у истоков изучения поведения частиц при нуле кельвинов

Он является особой формой материи - это агрегатное состояние фотонов и прочих элементарных частиц, относящихся к бозонам, при температурах, близких к нулю кельвинов.

В 1995 году - спустя 70 лет после выхода теоретических обоснований Бозе и Эйнштейна - ученым удалось впервые наблюдать конденсат.

Лишь в 2010 году физикам удалось получить такой конденсат для фотонов.

В частности, выступавшая на конференции преподаватель Сколковского института науки и технологий Наталья Берлофф описывала поведение поляритонов - квазичастиц, которые возникают при взаимодействии фотонов с элементарными возбуждениями среды.

По словам Берлофф, она пыталась представить применение квантовой теории премьер-министру Дмитрию Медведеву и вице-премьеру Аркадию Дворковичу прошлым летом как национальную инициативу.

Некоторые из студентов Сколковского института науки и технологий уже активно принимают участие в международных исследованиях - в частности, ученики Берлофф входят в команду физиков, описывающих поведение упомянутых поляритонов.

— уникальное свойство некоторых материалов, которое позволяет передавать электричество без сопротивления, а следовательно, без потерь.

Несмотря на то, что впервые этот эффект был открыт в начале XX века, долгое время ему . Дело в том, что первые сверхпроводники работали при температуре близкой к абсолютному нулю, а для их охлаждения исследователи использовали жидкий гелий.

Первый серьёзный переворот в этой области произошёл около 25 лет назад с открытием так называемых высокотемпературных сверхпроводников . Несмотря на название, их всё ещё требовалось охлаждать до весьма низких с точки зрения человека температур. Но инженеры с помощью жидкого азота научились использовать сверхпроводимость в некоторых устройствах, например, в магнитно-резонансных томографах и в ускорителях частиц.

Ряд работ, начатых в 2013 году, приближает человечество к созданию проводников, демонстрирующих нулевое сопротивление при комнатной температуре. Мы уже писали, что учёные из Кембриджского университета впервые описали природу возникновения . Теперь международная команда физиков из Института структуры и динамики вещества Макса Планка (Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie) с помощью коротких инфракрасных лазерных импульсов вызвала сверхпроводимость в керамическом материале при комнатной температуре.

Учёные работали с распространённым высокотемпературным сверхпроводником — оксидом итрия-бария-меди, известным как YBCO . Он демонстрирует эффект нулевого сопротивления при температуре минус 180 градусов Цельсия.

Его кристаллы обладают сложной структурой: тонкие двойные слои оксида меди чередуются с более толстыми промежуточными слоями, содержащими барий, медь и кислород. Сверхпроводимость возникает между тонкими слоями, где электроны объединяются в так называемые куперовские пары . В этом состоянии пары проходят сквозь слои материала, как призраки в мультфильмах проникают сквозь стены.

Ещё год назад команда под руководством Андреа Каваллери (Andrea Cavalleri) обнаружила необычный эффект от облучения YBCO лазерными импульсами. Учёные предположили, что короткие вспышки света на небольшой промежуток времени изменяли связи между двойными слоями оксида меди. Однако до конца понять причины возникновения сверхпроводимости при комнатной температуре удалось только после подключения "тяжёлой артиллерии" — самого мощного в мире рентгеновского лазера (LCLS).

"Сначала мы как обычно воздействовали на кристалл импульсом инфракрасного света, что вызывало колебание отдельных атомов, — объясняет ведущий автор работы Роман Манковский (Roman Mankowsky) в . — Затем следовал короткий рентгеновский импульс, с помощью которого мы точно определяли кристаллическую структуру возбужденного материала".

Оказалось, что инфракрасная вспышка не только инициирует колебания атомов в материале, но и заставляет их изменять свою позицию в кристалле. В результате слои диоксида меди становились толще на два пикометра, что соответствует всего лишь одной сотой диаметра составляющих их атомов.

Одновременно на такое же расстояние сокращалось расстояние между двумя соседними слоями. Эти изменения могут показаться ничтожными, но даже этого незначительного сближения хватило, чтобы сверхпроводимость проявлялась при более выгодных для учёных условиях.

Несмотря на то, что эффект продолжался всего несколько миллионных долей секунды, результаты работы, опубликованные в издании Nature , помогут в поиске новых проводников и способов расширения области их применения.

Сейчас необходимость низкотемпературного охлаждения серьёзно затрудняет повсеместное использование сверхпроводимости. В тот день, когда эти меры больше не понадобятся, нас ждёт настоящая технологическая революция.

МОСКВА, 13 сен - РИА Новости. Отдельные зерна графита могут проявлять сверхпроводящие свойства при комнатной температуре после обработки водой и выпекания в печи, что говорит о возможности достижения сверхпроводимости в нормальных условиях на практике, заявляют немецкие физики в статье, опубликованной в журнале Advanced Materials .

"В целом, данные нашего эксперимента указывают на то, что сверхпроводимость при комнатной температуре осуществима, и что использованные нами методы могут проложить дорогу к новому поколению сверхпроводников, чье появление принесет пока сложно оценимую пользу для человечества," - заявил руководитель группы физиков Пабло Эскуинаци (Pablo Esquinazi) из Лейпцигского университета (Германия).

Эскуинаци и его коллеги исследовали физические свойства графита и других форм углерода. В ходе одного из экспериментов ученые засыпали графитовый порошок в пробирку с водой, размешали его и оставили в покое на 24 часа. После этого физики отфильтровали графит и высушили его в печи при температуре 100 градусов.

В результате этого ученые получили набор из гранул графита, обладающих крайне интересными физическими свойствами. Так, поверхность этих зерен обладает сверхпроводящими свойствами, которые сохраняются даже при температуре 300 градусов Кельвина, или 26 градусов Цельсия.

Это проявлялось в том, что внутри зерен появлялись характерные резкие фазовые переходы магнитного момента, существующие в классических высокотемпературных сверхпроводниках. Физикам так и не удалось проверить, обладает ли графит двумя другими основными признаками таких материалов: отсутствием сопротивления и так называемым эффектом Мейснера - полным вытеснением магнитного поля из тела проводника.

Тем не менее, открытие даже одного из эффектов позволяет предположить, что высокотемпературные сверхпроводники могут функционировать и при комнатной температуре.

К сожалению, зерна графита, полученные Эскуинаци и его коллегами, нельзя использовать в качестве "строительного материала" для сверхпроводников. Во-первых, сверхпроводящими свойствами обладает лишь 0,0001% от массы графита из-за того, что этот эффект наблюдается только на поверхности зерен. Во-вторых, эта форма графита чрезвычайно хрупкая, и физические свойства зерен теряются безвозвратно даже при малейших деформациях.

В своих последующих работах физики планируют изучить поверхность зерен и роль атомов водорода, которые остаются на их поверхности после "водной бани" и последующего просушивания. Кроме того, Эскуинаци и его коллеги проверят, обладают ли такие зерна нулевым сопротивлением, и возникает ли в них эффект Мейснера.

Сверхпроводимость — это одно из самых загадочных, замечательных и перспективных явлений. Сверхпроводящие материалы, не имеющие электрического сопротивления, могут проводить ток практически без потерь, и это явление уже используется в практических целях в некоторых областях, к примеру, в магнитах установок ядерной томографии или ускорителей частиц. Однако, существующие сверхпроводящие материалы для того, чтобы обрести свои свойства, должны быть охлаждены до крайне низких температур. Но эксперименты, проведенные учеными в течение этого и прошлого года, привели к получению некоторых неожиданных результатов, которые могут изменить положение, в котором находятся сейчас технологии использования сверхпроводников.

Международная группа ученых, возглавляемая учеными из института Структуры и динамики материи Макса Планка (Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter), работая с одним из самых перспективных материалов — высокотемпературным сверхпроводником окисью меди-бария-иттрия (YBa2Cu3O6+x, YBCO), обнаружила, что воздействие на этот керамический материал импульсов света инфракрасного лазера заставляет некоторые атомы этого материала кратковременно изменить свое положение в кристаллической решетке, увеличивая проявление эффекта сверхпроводимости.

Кристаллы соединения YBCO имеют весьма необычную структуру. Снаружи этих кристаллов присутствует слой окиси меди, покрывающий собой промежуточные слои, в которых содержатся барий, иттрий и кислород. Эффект сверхпроводимости при облучении светом лазера возникает именно в верхних слоях окиси меди, в которых происходит интенсивное формирование пар электронов, так называемых пар Купера. Эти пары могут перемещаться между слоями кристалла за счет эффекта туннелирования, и это указывает на квантовую природу наблюдаемых эффектов. И в обычных условиях кристаллы YBCO становятся сверхпроводниками только при температуре, ниже критической точки этого материала.

В экспериментах, проведенных в 2013 году, ученые обнаружили, что освещение кристалла YBCO импульсами мощного инфракрасного лазера заставляет материал кратковременно становиться сверхпроводником и при комнатной температуре. Очевидно, что лазерный свет оказывает влияние на сцепление между слоями материала, хотя механизм этого влияния остается пока еще не до конца ясным. И для выяснения всех подробностей происходящего ученые обратились к возможностям лазера LCLS, самого мощного на сегодняшний день рентгеновского лазера.

«Мы начали «бить» по материалу импульсами инфракрасного света, который возбудил некоторые из атомов, заставив их колебаться с достаточно сильной амплитудой»
— рассказывает Роман Манковский (Roman Mankowsky), ученый-физик из института Макса Планка, — «Затем мы использовали импульс рентгеновского лазера, следующий сразу за импульсом инфракрасного лазера, для измерения точного значения смещений, произошедших в кристаллической решетке».

Полученные результаты показали, что импульс инфракрасного света не только возбудил и заставил колебаться атомы, его воздействие привело к смещению из положения в кристаллической решетке. Это сделало на очень кроткое время меньшим расстояние между слоями оксида меди и другими слоями кристалла, что в свою очередь привело к увеличению проявления эффекта квантового сцепления между ними. В результате этого кристалл становится сверхпроводником при комнатной температуре, правда это его состояние способно держаться всего несколько пикосекунд времени.

«Полученные нами результаты позволят нам внести некоторые изменения и усовершенствовать существующую теорию высокотемпературных сверхпроводников. Кроме этого, наши данные окажут неоценимую помощь ученым-материаловедам, разрабатывающим новые высокотемпературные сверхпроводящие материалы, имеющие высокое значение критической температуры» — рассказывает Роман Манковский, — «И, в конечном счете, все это, я надеюсь, приведет к осуществлению мечты о сверхпроводящем материале, работающем при комнатной температуре, который совершенно не нуждается в охлаждении. А появление такого материала, в свою очередь, сможет обеспечить массу прорывов в великом множестве других областей, использующих в своих интересах явление сверхпроводимости».