Newswise — Ученые из Национальной лаборатории Эймса идентифицировали первый нетрадиционный сверхпроводник, химический состав которого также встречается в природе. Миассит — один из четырех минералов, обнаруженных в природе, которые при выращивании в лаборатории действуют как сверхпроводники. Исследование миассита показало, что это нетрадиционный сверхпроводник со свойствами, подобными высокотемпературным сверхпроводникам. Их результаты углубляют понимание учеными этого типа сверхпроводимости, что может привести к созданию более устойчивых и экономичных технологий на основе сверхпроводников в будущем.

Сверхпроводимость — это когда материал может проводить электричество без потерь энергии. Сверхпроводники находят применение, в том числе в медицинских аппаратах МРТ, силовых кабелях и квантовых компьютерах. Обычные сверхпроводники хорошо изучены, но имеют низкие критические температуры. Критическая температура — это самая высокая температура, при которой материал действует как сверхпроводник.

В 1980-х годах ученые открыли нетрадиционные сверхпроводники, многие из которых имеют гораздо более высокие критические температуры. По словам Руслана Прозорова, ученого из Ames Lab, все эти материалы выращены в лаборатории. Этот факт привел к всеобщему убеждению, что нетрадиционная сверхпроводимость не является естественным явлением.

Прозоров объяснил, что найти сверхпроводники в природе сложно, поскольку большинство сверхпроводящих элементов и соединений являются металлами и имеют тенденцию вступать в реакцию с другими элементами, например с кислородом. Он сказал, что миассит (Rh17S15) — интересный минерал по нескольким причинам, одна из которых — его сложная химическая формула. «Интуитивно думаешь, что это нечто, что создается намеренно в ходе целенаправленного поиска, и оно не может существовать в природе, — сказал Прозоров, — но оказывается, что оно существует».

Пол Кэнфилд, заслуженный профессор физики и астрономии Университета штата Айова и ученый из лаборатории Эймса, обладает опытом в разработке, открытии, выращивании и описании новых кристаллических материалов. Для этого проекта он синтезировал высококачественные кристаллы миассита. «Хотя миассит — это минерал, который был обнаружен возле реки Миасс в Челябинской области России, — сказал Кэнфилд, — это редкий минерал, который обычно не растет в виде хорошо сформированных кристаллов».

Выращивание кристаллов миассита было частью более масштабных усилий по открытию соединений, сочетающих в себе очень тугоплавкие элементы (например, Rh) и летучие элементы (например, S). «Вопреки природе чистых элементов, мы осваиваем использование смесей этих элементов, которые позволяют выращивать кристаллы при низких температурах с минимальным давлением пара», — сказал Кэнфилд. «Это все равно, что найти скрытую рыболовную яму, полную большой жирной рыбы. В системе Rh-S мы обнаружили три новых сверхпроводника. И благодаря детальным измерениям Руслана мы обнаружили, что миассит является нетрадиционным сверхпроводником».

Группа Прозорова специализируется на передовых методах исследования сверхпроводников при низких температурах. Он сказал, что материал должен быть холодным, как 50 милликельвинов, что составляет около -460 градусов по Фаренгейту.

Команда Прозорова использовала три разных теста, чтобы определить природу сверхпроводимости миассита. Главный тест называется «Лондонская глубина проникновения». Он определяет, насколько далеко слабое магнитное поле может проникнуть в объем сверхпроводника от поверхности. В обычном сверхпроводнике эта длина практически постоянна при низкой температуре. Однако в нетрадиционных сверхпроводниках он изменяется линейно с температурой. Этот тест показал, что миассит ведет себя как нетрадиционный сверхпроводник.

Еще одним испытанием, проведенным командой, было внесение дефектов в материал. Прозоров сказал, что этот тест является фирменной методикой, которую его команда применяла на протяжении последнего десятилетия. Он включает бомбардировку материала электронами высокой энергии. Этот процесс выбивает ионы с их позиций, создавая тем самым дефекты в кристаллической структуре. Этот беспорядок может вызвать изменения критической температуры материала.

Обычные сверхпроводники не чувствительны к немагнитным беспорядкам, поэтому этот тест не покажет никакого изменения критической температуры или очень незначительное. Нетрадиционные сверхпроводники обладают высокой чувствительностью к беспорядку, а введение дефектов изменяет или подавляет критическую температуру. Это также влияет на критическое магнитное поле материала. В миассите команда обнаружила, что и критическая температура, и критическое магнитное поле ведут себя так, как предсказывалось в нетрадиционных сверхпроводниках.

Исследование нетрадиционных сверхпроводников улучшает понимание учеными того, как они работают. Прозоров объяснил, что это важно, потому что «раскрытие механизмов нетрадиционной сверхпроводимости является ключом к экономически обоснованному применению сверхпроводников».

Это исследование далее обсуждается в статье «Узловая сверхпроводимость в миассите Rh».₁₇С₁₅», авторы сценария Хёнсу Ким, Макарий А. Танатар, Марцин Кончиковски, Ромен Грассе, Удхара С. Калуараччи, Серафим Теноуиджойо, Кюил Чо, Аашиш Сапкота, Джон М. Уайльд, Мэтью Дж. Крогстад, Сергей Л. Будько, Филип М.Р. Брайдон, Пол К. Кэнфилд и Руслан Прозоров, опубликовано в Коммуникационные материалы.

Эта работа поддерживалась Управлением науки Министерства энергетики США (Управление фундаментальных энергетических наук) и использовала ресурсы Advanced Photon Source, Центра пользователя Управления науки Министерства энергетики США (DOE).

Национальная лаборатория Эймса — это национальная лаборатория Управления науки Министерства энергетики США, управляемая Университетом штата Айова. Лаборатория Эймса создает инновационные материалы, технологии и энергетические решения. Мы используем наш опыт, уникальные возможности и междисциплинарное сотрудничество для решения глобальных проблем.

Лаборатория Эймса поддерживается Управлением науки Министерства энергетики США. Управление науки является крупнейшим спонсором фундаментальных исследований в области физических наук в Соединенных Штатах и ​​работает над решением некоторых из наиболее насущных проблем нашего времени. Для получения дополнительной информации посетите https://energy.gov/science.