Никелов свръхпроводник работи над прага от -233°C при нормално налягане

Ваня Милева Последна промяна на 24 февруари 2025 в 00:00 1445 0

Никелов свръхпроводник работи над прага от -233°C при нормално налягане

Кредит Guangdi Zhou et al
Схема на синтезиране на (La,Pr)3 Ni2 O7 върху SrLaAlO4 с гигантска окислителна атомарна епитаксия слой по слой (GOALL-епитаксия). 

Материал на основата на никел, който се държи като свръхпроводник над прага от -233°C (40 K) при нормално налягане, е създал екип инженери и физици в Южния университет за наука и технологии в Китай.

В изследването си, публикувано в Nature, изследователите синтезират тънки филми от двуслоен никелат (La₂.₈₅Pr₀.₁₅Ni₂O₇) и откриват такъв, който се държи като високотемпературен свръхпроводник.

Прагът от -233°C (40 K), често свързван с границата на Макмилан, маркира граница, отвъд която конвенционалните теории за свръхпроводимост стават по-малко предсказуеми.

Купърови двойки

Особените свойства на свръхпроводимостта се дължат на образуването на т.нар. двойки на Купър (или купърови двойки).

Във физиката на кондензираната материя купъровата двойка обикновено е свързано състояние на два електрона, свързани чрез обмен на виртуални фонони. Когато еластичните вълни, колективното движение на положително заредената решетка на кристала е квантувано, съответните кванти се наричат ​​фонони.

Много двойки Купър могат да заемат едно и също пространство - електроните да имат спин - 1⁄2, т.е. те са фермиони - но общият спин на двойка на Купър е цяло число (0 или 1), така че тя е съставен бозон. Това означава, че за разлика от електроните, на множество двойки Купър е позволено да бъдат в едно и също квантово състояние, което е отговорно за явлението свръхпроводимост. (вж "Принципът на Паули. Еволюцията на звездите")

Купърови двойки. Кредит: Notes on Superconductivity · Ashwin's Chronicles

Това свързване води до липса на електрическо съпротивление в материала при ниски температури. Образуването на двойки на Купър зависи от температурата на материала поради ролята на вибрациите на решетката или фононите. При по-високи температури топлинната енергия нарушава образуването и стабилността на двойките на Купър. С понижаването на температурата вибрациите на решетката намаляват, което улеснява електроните да образуват двойки и да се движат през материала без разсейване, което води до свръхпроводимост. 

Двойките на Купър в неконвенционалните свръхпроводници се свързват по начини, които не са били описани в ранните модели на свръхпроводимостта, начини, които също така означават, че те се появяват при по-високи температури.

Граница на Макмилан

Топлинната енергия, необходима за прекъсване на двойките на Купър, определя стойността на Tc - граничната температура под която материалът става свръхпроводник. В работата на Макмилан, ( Physical Review 167 (2), 1968 p. 331-344), той показва, че с оглед на фононните възбуждания в материалите, ограничението на фононните вибрационни енергии е ограничаващият фактор в температурите на прехода към свръхпроводимост. В работата си Макмилан изчислява, че горната Tc за електронно-фононни свръхпроводници е 28K.

Учените търсят матрериал, който да е свръхпроводник при стайна температура, който може да направи революция в широк спектър от технологии.

Способността да се постигне свръхпроводимост без необходимост от скъпи и сложни системи за охлаждане би намалила значително загубата на енергия поради преобразуване на топлината при преноса на електрически ток, което води до драматични подобрения в ефективността и намаляване на разходите.

Този пробив може да доведе до напредък в много области, включително магнитни влакове, термоядрени реактори и компоненти на ядрено-магнитен резонанс. Това ново постижение на китайския екип представлява още една стъпка в постигането на крайната цел.

Досега високотемпературните свръхпроводници са се основавали предимно на медни и железни съединения, а никелатните свръхпроводници изискват условия на високо налягане, за да функционират.

Новооткритият високотемпературен свръхпроводник никелат се появява от експериментите на екипа с епитаксиално отгледани двуслойни никелатни тънки филми.

Епитаксия

Епитаксия е ориентираната кристализация на едно вещество върху повърхността на монокристална подложка от друго вещество, по такъв начин, че неговата кристална решетка е идентична с тази на подложката. Епитаксията е основен технологичен процес в производството на полупроводници и интегрални схеми.

Новата работа е част от дългосрочен проект, насочен към намирането на високотемпературни свръхпроводници на базата на никел. Настоящите изследвания се провеждат в продължение на три години и включват отглеждане на никелати с контролирани замествания на редкоземни метали и точно съдържание на кислород.

За това последно постижение екипът замени част от лантана с празеодим в никелатната структура. Проверката показа, че преминава към свръхпроводник при приблизително -228°C.

Изследователският екип предполага, че тяхното разработване на базиран на никел високотемпературен свръхпроводник вероятно ще отвори вратата към други възможности, някои на базата на никел, а други на базата на други метали. Може също да помогне в изследвания, посветени на разбирането защо някои материали могат да преминат в свръхпроводници.

Справка: Guangdi Zhou et al, Ambient-pressure superconductivity onset above 40 K in (La,Pr)3Ni2O7 films, Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-08755-z. On arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2412.16622

Източник: Nickel superconductor works above -233°C threshold at normal pressure, Bob Yirka, Phys.org

Виж още за:
    Най-важното
    Всички новини

    Още от Физика

    Коментари

    За писането на коментар е необходима регистрация.
    Моля, регистрирайте се от TУК!
    Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

    Няма коментари към тази новина !