Прошлым летом была объявлена новая эра высокотемпературной сверхпроводимости – никелевая эра. Было обнаружено, что существуют перспективные сверхпроводники в специальном классе материалов, так называемые никелаты, которые могут проводить электрический ток без какого-либо сопротивления даже при высоких температурах.
Однако вскоре стало очевидно, что эти впечатляющие результаты Стэнфорда не могли быть воспроизведены другими исследованиями групп. В настоящее время TU Wien (Вена) нашла причину этого: в некоторых никелатах в структуру материала включены дополнительные атомы водорода. Это полностью меняет электрическое поведение материала. При производстве новых сверхпроводников этот эффект теперь необходимо учитывать.
Поиск высокотемпературных сверхпроводников
Некоторые материалы являются сверхпроводящими только вблизи абсолютного нуля температуры – такие сверхпроводники не подходят для технических применений. Поэтому на протяжении десятилетий люди искали материалы, которые остаются сверхпроводящими даже при более высоких температурах. В 1980 были обнаружены «высокотемпературные сверхпроводники». Однако то, что называется «высокими температурами» в этом контексте, все еще очень холодно: даже высокотемпературные сверхпроводники должны сильно охлаждаться, чтобы получить их сверхпроводящие свойства. Поэтому поиск новых сверхпроводников при еще более высоких температурах продолжается.
«Долгое время особое внимание было выплачено так называемым купратам, то есть соединениям, содержащим медь. Вот почему мы также говорим о век меди», – объясняет профессор Карстен Хелд из Института физики твердого тела в Университете Туена. «С этими купратами был достигнут некоторый важный прогресс, хотя в теории высокотемпературной сверхпроводимости до сих пор остается много открытых вопросов»
Но в течение некоторого времени другие возможности также рассматривались. Уже существовал так называемый «железный век» на основе железосодержащих сверхпроводников. Летом 2019 исследовательская группа исследовательской группы Гарольда Хуана из Стэнфорда смогла продемонстрировать высокотемпературную сверхпроводимость в никелаты. «Основываясь на наших расчетах, мы уже предлагали никелаты в качестве сверхпроводников 10 несколько лет назад, но они несколько отличались от те, которые были обнаружены в настоящее время. Они относятся к купратам, но содержат атомы никеля вместо атомов меди “, – говорит Карстен Хелд.
Проблема с водородом
Однако после некоторого первоначального энтузиазма в последние месяцы стало очевидно, что никелевые сверхпроводники сложнее производить чем изначально думал. Другие исследовательские группы сообщили, что их никелаты не обладают сверхпроводящими свойствами. Это очевидное противоречие было разъяснено в TU Wien.
«Мы проанализировали никелаты с помощью суперкомпьютеров. и обнаружили, что они чрезвычайно восприимчивы к воздействию водорода в материал», – сообщает Лян Си (TU Vienna). При синтезе некоторых никелатов могут быть включены атомы водорода, что полностью меняет электронные свойства материала. «Однако этого не происходит со всеми никелатами, – говорит Лян Си, – наши расчеты показывают, что для большинства из них энергетически выгоднее включать водород, но не для никелатов из Стэнфорда. Даже небольшие изменения в условиях синтеза может иметь значение. ” В прошлую пятницу группа вокруг Ариандо Ариандо из NUS Singapore могла сообщить, что им также удалось произвести сверхпроводящие никелаты. Они позволяют водороду, который выделяется в процессе производства, немедленно уйти.
Расчет критической температуры с помощью суперкомпьютеров
В TU Wien разрабатываются и используются новые компьютерные методы расчета для понимания и прогнозирования свойств никелатов. «Поскольку большое количество квантово-физических частиц всегда играют здесь роль в одно и то же время, вычисления чрезвычайно сложны, – говорит Лян Си, – но, комбинируя различные методы, мы теперь даже можем оценить критическую температуру до что различные материалы являются сверхпроводящими. Такие надежные расчеты не были возможны раньше “. В частности, команда из TU Wien смогла рассчитать допустимый диапазон концентрации стронция, для которого никелаты являются сверхпроводящими – и этот прогноз теперь подтвердился в эксперимент.
«Высокотемпературная сверхпроводимость – чрезвычайно сложная и трудная область исследований», – говорит Карстен Хельд. , «Новые никелевые сверхпроводники вместе с нашим теоретическим пониманием и предсказательной силой компьютерных вычислений открывают совершенно новый взгляд на великую мечту физики твердого тела: сверхпроводник при температуре окружающей среды, который, следовательно, работает без какого-либо охлаждения».