Сверхпроводники освободились от оков давления: находка, которая изменит электронику

Физики Хьюстонского университета научились сохранять сверхпроводящие свойства веществ при обычном атмосферном давлении. До сих пор некоторые материалы проявляли такие свойства только в экстремальных условиях, но теперь, благодаря новому методу, их удалось "приручить" в обычной среде.

Исследование возглавили профессора физического факультета Лянцзы Дэн и Пол Чинг-Ву Чу. В статье, которую опубликовал журнал Proceedings of the National Academy of Sciences, учёные описали эксперименты с соединением Bi0.5Sb1.5Te3 (BST). Они стремились заставить материал проводить электричество без сопротивления, не меняя при этом его химическую структуру.

BST (Bi0.5Sb1.5Te3) — это сложное соединение висмута, сурьмы и теллура. Его кристаллическая структура состоит из слоев атомов, уложенных определенным образом. При нормальных условиях BST ведет себя как обычный проводник, но под давлением его электронные свойства кардинально меняются — вещество начинает эффективнее преобразовывать тепло в электричество. Главную роль в этом играет особое поведение электронов: под давлением меняется конфигурация их энергетических состояний, известная как поверхность Ферми.

История экспериментов началась в 2001 году, когда физики заметили любопытное явление. Если подвергнуть BST сильному сжатию, в нём меняется так называемая топология поверхности Ферми — воображаемой границы в пространстве импульсов электронов. Так материал лучше превращает тепло в электричество. Учёных заинтересовало, как связаны между собой давление, топологические свойства вещества и его способность к сверхпроводимости.

Как объясняет профессор Чу, промышленность во многом опирается на материалы в метастабильном состоянии — когда их внутренняя структура находится в неустойчивом равновесии. Проблема в том, что самые перспективные сверхпроводники работают только под огромным давлением. В таких условиях крайне сложно их изучать, не говоря уже о том, чтобы применять на практике.

Для решения проблемы был разработан протокол pressure-quench (PQP). Его суть в том, чтобы уловить и зафиксировать тонкий электронный переход, который происходит в материале под давлением. Исследователи обнаружили, что во время этого перехода электроны в BST перестраиваются определенным образом, но при этом симметрия кристаллической решетки остается неизменной. Благодаря такому подходу материал словно "запоминает" свое состояние под прессом — даже когда давление снимается, он продолжает вести себя как сверхпроводник. В перспективе эта методика может помочь найти сверхпроводники, работающие при более высоких температурах.

Эксперименты проводили на сверхчувствительном оборудовании — системе измерения магнитных свойств (Magnetization Property Measurement System, MPMS). Она позволяет регистрировать мельчайшие изменения в поведении материала, когда тот переходит в сверхпроводящее состояние.

Профессор Дэн обращает внимание на ещё один важный момент. С помощью нового протокола можно создавать состояния материи, которых не существует ни в природе, ни даже в условиях высокого давления. PQP стал своего рода компасом для поиска неизведанных областей на фазовых диаграммах материалов.