Наука

  ▪   Олег Фея

Гаряча холодна надпровідність

Як втілюються в життя спецефекти з фантастичних фільмів
Матеріал друкованого видання
№ 1 (581)
від 10 січня

У своїй щорічній номінації «Людина року» науковий журнал Nature присудив одне з місць молодому дослідникові Юань Цао. Такої честі 21-річний юнак удостоївся за свою публікацію, у якій поєднав дві гарячі теми сучасної фізики: надпровідність і графен. Графен — двовимірний кристал завтовшки лише один атом. Цао з колегами розмістили один його шар над іншим і повернули на кут 1,1°, після чого спостерігали там явище надпровідності. Вважається, що їхня робота може допомогти фізикам побудувати теорію високотемпературної надпровідності й потім, можливо, створити надпровідний матеріал за кімнатної температури, що революціонізує світову енергетику.


У 2015-му компанія Lexus випустила серію левітуючих скейтбордів. Саме того року прилітав на машині часу Марті Макфлай, герой фільмів «Назад у майбутнє», і компанія, звичайно, у рекламних цілях намагалася щонайбільше приблизити нашу реальність до кіношної. У відео від Lexus професійний скейтбордист левітує на невеликій висоті на своїй дошці, пролітає над неглибоким басейном. Із дошки виривається біла пара — то випаровується рідкий азот, необхідний для підтримки надпровідності. Надпровідний матеріал міститься в камері, охолодженій до температури –197 °С, а під поверхнею скейтпарку поклали металеве полотно. 


Потяги на магнітній подушці, передача електричного струму без втрат на нагрівання проводів, багатотонні надсильні магніти, що містяться у Великому адронному колайдері. Та масовому застосуванню надпровідних матеріалів у побуті й енергетиці заважають умови їх існування. Рекордсменом є сульфід водню H2S із критичною температурою –70 °С, за якої зникає надпровідність. Теоретично його вже можна було б застосовувати в Антарктиді, якби не тиск 100 мільйонів атмосфер, необхідний для підтримання явища. З іншими матеріалами все ще гірше.

 

Читайте також: Світлана Благодєтєлєва-Вовк: «Нашою діяльністю ми хочемо показати, хто насправді господар в українській науці»


Ще в 1911-му спеціаліст із низьких температур Гейке Камерлінг-Оннес із Лейденського університету охолодив ртуть до 4,2 К (приблизно –269 °С) і спостерігав повне зникнення електричного опору в неї, за що через два роки отримав Нобелівську премію. Згодом Вальтер Мейснер і Роберт Оксенфельд показали, що надпровідники «виштовхують» магнітне поле зі свого об’єму. Якщо рухати магніт поруч зі звичайним провідником, в останньому з’являються індукційні струми. У надпровідниках магнітне поле, створене цими струмами, точно дорівнює зовнішньому полю. Завдяки описаному ефекту Мейснера такі матеріали працюють як надсильні магніти. Саме завдяки цьому ефекту й левітують скейтборди від Lexus, «відштовхуючись» від металевої поверхні скейтпарку, а також потяги на магнітній подушці. 


Пояснити феномен низькотемпературної надпровідності для металів змогли лише в 1957 році Джон Бардін, Леон Купер і Джон Шріффер, за що в 1972-му отримали Нобелівську премію.

 


«Електрони розсіюються на неідеальностях кристалічної ґратки, втрачаючи енергію. Виникають коливання ґратки, які описують як квазічастинки фонони. Фонон може поглинутися іншим електроном. Якщо таке сталося, то в системі все без втрат, енергія збереглася. За дуже низької температури (скажімо, абсолютний нуль) цей фонон єдиний, інших немає. І він може досить довго блукати кристалом, доки не поглинеться електроном. За вищої температури фононів багато, може виникнути взаємне розсіяння, втрата енергії. З’являється електричний опір. Саме тому надпровідність існує за таких низьких температур», — пояснює доктор фізико-математичних наук, завідувач відділу надпровідності Інституту металофізики ім. Георгія Курдюмова Олександр Кордюк. 


Завдяки електрон-фононній взаємодії електрони поєднуються в куперівські пари із сумарним нульовим імпульсом і спіном. Важливою характеристикою квантових частинок є спін — внутрішній магнітний момент. Зазвичай у популярній літературі його описують як вісь обертання частинок, проте важливо зазначити, що вони не обертаються і це просто красива модель. Частинки з напівцілим спіном (1/2, 3/2…) описуються статистикою Фермі — Дірака й називаються ферміонами. Електрон — типовий ферміон. На них діє принцип заборони Паулі, і в одному квантовому стані не може бути дві частинки з однаковим спіном. Та в куперівські пари поєднуються електрони з протилежними спінами 
(–1/2 + 1/2 = 0), утворюються бозони, для яких заборона не діє. Пари «випадають», «конденсуються» на одному енергетичному рівні, утворюючи так званий бозе-конденсат. І цим парам стає невигідно розсіювати енергію на атомах металу, вони рухаються без опору. Так Бардін, Купер і Шріффер описали низькотемпературну надпровідність.

 

Читайте також: IQ у ембріона, універсальні відбитки пальців та безпілотні автомобілі


У 1986 році Алекс Мюллер та Ґеорґ Беднорц відкрили надпровідність у кераміці LBCO (оксид лантану, барію та міді) за температури 35 К (–238 °С), що було рекордним на той час значенням, і все стало набагато складніше. Варто лише зазначити, що загальноприйнятої теорії надпровідності в купратах не існує й досі.


«Свого часу багато теоретиків створили власні теорії, і наразі кожен захищає свою й не хоче слухати інших, — розповідає Олександр Кордюк. — Та серед них немає жодної, яка пояснила б, що треба зробити, аби знайти новий надпровідник із більшою критичною температурою. Проста ілюстрація: 2008 року відкрили новий клас високотемпературних надпровідників у сполуках на основі заліза, ніхто цього просто не очікував! У 1986-му, коли я ще був студентом, почався бум високотемпературних надпровідників. Практично всі, хто займався фізикою твердого тіла, стали їх вивчати. Мій науковий керівник тоді казав: «Стільки людей цим займається, що за кілька місяців усе стане зрозуміло!». Минуло понад 30 років, а нормального пояснення так і немає. Більшість науковців зійшлася на тому, що електрони таки об’єднуються в пари. Та що є клеєм, який їх поєднує? Спеціалісти розділилися на тих, хто вважає, ніби електрони обмінюються спіновими флуктуаціями, і прихильників класичної електрон-фононної взаємодії, посиленої якимось механізмом. Я належу до першої групи. Працював над тим багато років, і ми змогли показати, що спінових флуктуацій достатньо, щоб пояснити спектри розсіяння електронів у купратах. Але такого експерименту, який усіх переконав би в цьому механізмі, досі немає. Зрештою, поки що ніхто не отримав Нобелівської премії за пояснення механізму високотемпературної надпровідності в купратах».


Ключ до розгадки високотемпературної надпровідності може дати той самий графен, що його досліджував Юань Цао. Свою статтю він із колегами опублікував у журналі Nature у квітні минулого року, і вже сьогодні на неї є 148 посилань в інших статтях, що вказує на великий інтерес до матеріалу. 

 

Модель виникнення куперівських пар. Електрон притягується до позитивно заряджених іонів ґратки, що її деформує. Цю деформацію відчуває інший електрон, який притягується до ґратки і взаємодіє з першим. Коливання ґратки називають фононами


Графен — перший двовимірний кристал, який отримали у 2004 році британські фізики російського походження Андре Ґейм і Константін Новосьолов. Вони відщепляли шматочки графіту за допомогою скотчу, доки не залишився один шар завтовшки в атом. Доти існування таких кристалів ставилося під сумнів. Вважалося, що пласкі структури мають одразу розвалюватися. Матеріал став вибуховою темою у фізиці через його міцність, електронні властивості та перспективність щодо практичного застосування.


Цао з колегами поклали один шар графену на інший і повернули на кут 1,1°. За температури 1,7 К (–271,5 °С) у матеріалі з’явилася така сама надпровідність, як і в купратів. Тобто явище, що виникало у складних матеріалах за більш-менш високих температур (як для надпровідності), спостерігалося у відносно простому графені, що складається лише з атомів вуглецю, за надзвичайно низької температури. Електрони в такому графені спарені значно сильніше, ніж у типових низькотемпературних надпровідників. 


Вже в листопаді в журналі Physical Review Letters вийшла стаття, автори якої намагалися теоретично пояснити явище. Вони застосували модель, згідно з якою електрони із сусідніх шарів графену притягуються завдяки обміну фононами, але сильне кулонівське відштовхування заважає цьому процесу, тому й критична температура така низька. 


Цао з колегами зазначають, що їхнє відкриття має допомогти в побудові адекватної теорії високотемпературної надпровідності. Графен значно простіша система, ніж кераміки з багатьма видами атомів, і моделювати її легше. Завдяки їй можна буде передбачати існування нових матеріалів із заданими властивостями. І, ймовірно, таки знайти надпровідник за кімнатних температур — мрію фізиків та інженерів. 

Якщо ви помітили помилку, виділіть необхідний текст і натисніть Ctrl + Enter, щоб повідомити про це редакцію.