Сверхпроводимость вопреки природе: научный поворот, меняющий понимание материй

В 2024 году в области сверхпроводимости — явления, при котором электрический ток течёт без сопротивления — было сделано три выдающихся открытия. Одно из них нарушает привычные представления о физике этого явления. Это событие вызывает большой интерес, так как сверхпроводимость, впервые зафиксированная в 1911 году голландским физиком Хейке Камерлинг-Оннесом , остаётся одной из самых сложных загадок физики. Основной вопрос заключается в том, как электроны, которые по своей природе отталкиваются, могут объединяться в пары.

Сверхпроводимость уже нашла применение в медицине — например, в МРТ-сканерах, а также в науке, в том числе в ускорителях частиц. Однако для массового использования, такого как создание беспрепятственных электросетей или магнитолевитационных транспортных средств, требуется разработка материалов, которые работают при комнатной температуре, а не при экстремально низких значениях.

Три новых открытия значительно продвинули понимание сверхпроводимости. Все они связаны с двухмерными материалами — устройствами, состоящими из плоских слоёв атомов. Эти материалы позволяют физикам управлять их свойствами, переключая их между проводимостью, изоляцией и более экзотическими состояниями с помощью электрических полей. Это своего рода «современная алхимия», которая ускорила поиск новых сверхпроводников.

Графен , двухмерный материал из углерода, стал ключевым элементом недавних исследований. В 2018 году учёные из Массачусетского технологического института продемонстрировали, что два слоя графена, сложенные под углом 1,1 градуса (так называемый «магический угол»), могут переходить в сверхпроводящее состояние. С тех пор исследования распространились на другие материалы, такие как дихалькогениды переходных металлов ( TMD ), где также удалось обнаружить уникальные формы сверхпроводимости.

В одном из экспериментов учёные из Колумбийского университета использовали TMD, подвергнутый 5-градусному повороту, и наблюдали снижение электрического сопротивления почти до нуля, подтверждая, что материал может становиться сверхпроводящим. Уникальность этого открытия в том, что взаимодействия электронов в таких материалах идут по совершенно новому сценарию, который ранее не наблюдался.

В другом случае исследователи из Корнеллского университета обнаружили, что TMD может становиться сверхпроводником без добавления электронов, лишь за счёт изменения электрического поля. Такой тип сверхпроводимости не укладывается ни в одну из существующих теорий.

Однако самым необычным открытием стало явление, обнаруженное в многослойных устройствах на основе графена. При определённых условиях сверхпроводимость в этих материалах усиливалась под воздействием магнитного поля, что противоречит традиционным представлениям. Исследования этого эффекта продолжаются, так как он может открыть совершенно новую область физики.

Эти открытия не только подталкивают к созданию новых теорий, но и помогают лучше понять природу сверхпроводимости. Учёные используют новые подходы, позволяющие быстро и эффективно исследовать широкий спектр материалов, чтобы обнаружить ещё больше возможностей для создания сверхпроводников.

Современные технологии двухмерных материалов дают экспериментаторам возможность тестировать сразу тысячи комбинаций свойств в рамках одного устройства. Такой подход позволяет значительно ускорить прогресс в этой области. Это открывает путь к созданию технологий будущего — от сверхэффективных энергетических систем до совершенно новых транспортных средств.