Прорыв в сфере сверхпроводников: ученые открыли необычное явление

Неожиданные результаты экспериментов подтверждают возможность разработки сверхпроводников, работающих при комнатной температуре, которые изменят нашу повседневную жизнь.

Прорыв в сфере сверхпроводников: ученые открыли необычное явление

Сверхпроводники предлагают огромные технические и экономические перспективы в таких сферах, как высокоскоростные поезда на воздушной подушке, аппараты МРТ, эффективные линии электропередач, квантовые вычисления и другие технологии. Однако их полезность ограничена, поскольку сверхпроводимость требует чрезвычайно низких температур. Интегрировать их с современными технологиями очень сложно из-за этого трудновыполнимого и дорогостоящего аспекта.

Электрическое сопротивление сверхпроводника имеет определенную критическую температуру, выше которой оно внезапно падает до нуля, в отличие от обычного металлического проводника, сопротивление которого постепенно уменьшается с понижением температуры, вплоть до почти абсолютного нуля.

Поиск сверхпроводников, не требующих таких низких температур, является основной задачей современных исследований сверхпроводимости. Механизм, с помощью которого эти сверхпроводники функционируют, является самой большой загадкой в ​​этой области, на которую ни у кого нет ответа. Понимание процесса, который создает сверхпроводимость при высоких температурах, позволит найти более практические применения.

Недавнее исследование, проведенное учеными из израильского университета Бар-Илан и недавно опубликованное в журнале Nature, продвинулось вперед в решении этой загадки. Используя сканирующий магнитный микроскоп SQUID (сверхпроводящее квантовое интерференционное устройство), исследователи зафиксировали явление, которое ранее было невидимым для других методов.

Прорыв в сфере сверхпроводников: ученые открыли необычное явление

Ученые были ошеломлены, когда впервые были обнаружены высокотемпературные сверхпроводники. Ученые предполагали, что металлы обладают хорошей сверхпроводимостью. Вопреки предсказаниям было обнаружено, что изолирующие керамические материалы являются лучшими сверхпроводниками. 

Обнаружение свойств, общих для этих керамических материалов, может помочь определить источник их сверхпроводимости и улучшить контроль над критической температурой. Одним из таких свойств является то, что электроны в этих материалах сильно сопротивляются друг другу. Таким образом, они не могут свободно двигаться. Вместо этого они заперты внутри периодической решетчатой ​​структуры.

У электронов есть два определяющих свойства: их заряд (движение заряда приводит к возникновению электрического тока) и их вращение. Спин — это квантовое свойство электронов, ответственное за их магнитные свойства. Как будто к каждому электрону прикреплен крошечный стержневой магнит. В обычных материалах заряд и спин "встроены" в электроны и не могут быть разделены.

Однако в особых квантовых материалах, называемых "квантовыми спиновыми жидкостями", взаимодействия между электронами приводят к уникальному явлению, при котором каждый электрон распадается на две частицы: одну с зарядом (но без спина) и одну со спином (и без заряда). Такие квантовые спиновые жидкости могут существовать в высокотемпературных сверхпроводниках, и, по сути, их существование может объяснить, почему сверхпроводимость в этих материалах такая хорошая.

Проблема в том, что эти спиновые жидкости «невидимы» для обычных измерений. Даже когда мы подозреваем, что материал может быть спиновой жидкостью, нет эксперимента, который мог бы подтвердить это или исследовать его природу. Это похоже на темную материю, которая не взаимодействует со светом и поэтому ее очень трудно обнаружить.

Прорыв в сфере сверхпроводников: ученые открыли необычное явление

Нынешнее исследование, проведенное профессором Биной ​​Калиски и докторантом Эйлоном Перски с физического факультета Университета Бар-Илан и их сотрудниками, является важным шагом на пути к разработке метода изучения спиновых жидкостей. Исследователи изучили свойства спиновой жидкости, заставив ее взаимодействовать со сверхпроводником. Они использовали искусственный материал, состоящий из чередующихся атомных слоев сверхпроводника и потенциальной спиновой жидкости.

Результаты экспериментов указывали на "скрытую" магнитную фазу, которая обнажалась в эксперименте за счет взаимодействия со сверхпроводящим слоем. Сотрудничая с группами из Университета Бар-Илан, Техниона, Института Вейцмана, Калифорнийского университета в Беркли и Технологического института Джорджии, исследователи пришли к выводу, что эта магнитная фаза, вероятно, была прямым результатом связи между слоем спиновой жидкости и сверхпроводящий слой. Скрытый магнетизм является результатом разделения спинов и зарядов в спиновой жидкости. Сверхпроводник реагирует на этот магнетизм, и это создает вихри без необходимости в "настоящем" магнитном поле.

Фактически это первое прямое наблюдение связи между этими двумя фазами материи. Эти результаты открывают доступ к свойствам неуловимых спиновых жидкостей, таким как взаимодействие между электронами. Результаты также открывают двери для разработки дополнительных слоистых материалов, с помощью которых можно изучать взаимосвязь между сверхпроводимостью и другими электронными фазами. Дальнейшие исследования взаимосвязи между спиновыми жидкостями и сверхпроводимостью могут позволить разработать сверхпроводники, работающие при комнатной температуре, а это, в свою очередь, изменит нашу повседневную жизнь.

Читайте также

IonQ установила рекорд квантовой связи: более 1000 событий запутанности в секунду

IonQ установила рекорд квантовой связи: более 1000 событий запутанности в секунду

DARPA начала испытания квантовых компьютеров, которые должны стать практически полезными к 2033 году

DARPA начала испытания квантовых компьютеров, которые должны стать практически полезными к 2033 году

США и Google вложат почти 1,8 млрд долларов в создание «виртуальных клеток»

США и Google вложат почти 1,8 млрд долларов в создание «виртуальных клеток»

Google открыла SynthID для всех — сервис помогает распознавать изображения и видео, созданные ИИ

Google открыла SynthID для всех — сервис помогает распознавать изображения и видео, созданные ИИ

Kawasaki оснастит человекоподобного робота Kaleido физическим ИИ для работы на заводах

Kawasaki оснастит человекоподобного робота Kaleido физическим ИИ для работы на заводах

В Германии создают строительных роботов, способных собирать здания почти без участия человека

В Германии создают строительных роботов, способных собирать здания почти без участия человека

Видеоаналитика на базе ИИ позволила найти 250 детей в Новосибирской области

Видеоаналитика на базе ИИ позволила найти 250 детей в Новосибирской области

Ученые МИСИС создали пористые гранулы для костей с защитой от инфекций

Ученые МИСИС создали пористые гранулы для костей с защитой от инфекций

Из лабораторий — на работу: 7 компаний, создающих человекоподобных роботов для реального мира

Из лабораторий — на работу: 7 компаний, создающих человекоподобных роботов для реального мира

Почему роботы умеют делать сальто, но до сих пор не могут нормально сложить рубашку

Почему роботы умеют делать сальто, но до сих пор не могут нормально сложить рубашку

Почему невозможно создать абсолютно точную карту Земли, Луны или Марса?

Почему невозможно создать абсолютно точную карту Земли, Луны или Марса?

Первый складной iPhone не стал революцией: с чем придется мириться владельцам iPhone Duo

Первый складной iPhone не стал революцией: с чем придется мириться владельцам iPhone Duo

Учёные создали микроб для Марса, который может помочь в строительстве поселений

Учёные создали микроб для Марса, который может помочь в строительстве поселений

UBTECH и FAW-Volkswagen испытают человекоподобных роботов на автомобильных заводах

UBTECH и FAW-Volkswagen испытают человекоподобных роботов на автомобильных заводах

RedMagic 12 Pro+ получит жидкостное охлаждение с RGB-подсветкой

RedMagic 12 Pro+ получит жидкостное охлаждение с RGB-подсветкой

NASA исследует загадочную лунную яму в поисках подземной пещеры

NASA исследует загадочную лунную яму в поисках подземной пещеры