Ново свръхпроводящо състояние може да проправи пътя на свръхпроводник при стайна температура

Ваня Милева Последна промяна на 31 март 2025 в 00:00 3657 0

Пространствена модулация на свръхпроводниковата дупка, кодирана в цвят и измерена с помощта на сканираща тунелна микроскопия

Кредит Lingyuan Kong, постдокторант в IQIM/AWS
Пространствена модулация на свръхпроводниковата дупка, кодирана в цвят и измерена с помощта на сканираща тунелна микроскопия.

Физици са създали свръхпроводник, който може да помогне за постигане на стайна температура, което би било полезно за приложения като медицина, транспорт и пренос на енергия без загуби.

Новият свръхпроводник на Калифорнийския технологичен институт има по-стабилна свръхпроводимост в някои области и по-слаба в други.

Свръхпроводимостта е квантово състояние, при което металите могат да провеждат електричество без съпротивление. Тя вече се използва за мощни магнити в машините за ядрено-магнитен резонанс.

Основният недостатък на свръхпроводниците е, че единствените познати материали, които постигат свръхпроводимост, изискват изключително ниски температури в рамките само на няколко десетки градуса над абсолютната нула (-273,15 °C).

Поддържането на свръхпроводници при такива ниски температури струва много пари и енергия. А малкото свръхпроводници, за които е доказано, че работят при стайна температура, изискват огромно налягане - друг разход на пари и енергия.

В нормалните метали електроните се движат свободно през решетка от положително заредени йони, съставена от протони и неутрони. Когато електроните се сблъскват с йоните, те губят енергия. Това физиците наричат съпротивление.

В свръхпроводниците, от друга страна, електроните са слабо привлечени един към друг и се свързват помежду си, образувайки "двойки на Купър" (купърови двойки).

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.

В рамките на малки енергийни диапазони, наречени енергийни дупки, електроните остават в двойка и не губят енергия при сблъсъка си с йоните.

Енергийната дупка в свръхпроводник обикновено е еднаква навсякъде в материала.

През 60-те години на миналия век физиците се интересуват дали някои свръхпроводящи материали могат да имат по-големи енергийни дупки в някои области и по-малки в други.

Новото изследване на Калифорнийския технологичен институт (Caltech), публикувано в Nature, е довело до такава модулация в люспи от свръхпроводник на основата на желязо.

Модулацията на енергийната разлика е в мащаба на пространството между атомите в материала.

Изследователите са нарекли новото модулирано състояние състояние на модулация на плътността на купъровите двойки (PDM - Cooper-pair density modulation). Тяхната модулация означава, че енергийната дупка в свръхпроводника е до 40% по-голяма в някои области.

"Наблюдаваната модулация на разстоянието представлява най-силната докладвана досега, което води до най-ясното експериментално доказателство до момента, че модулацията на разстоянието може да съществува дори в атомен мащаб", заявява водещият автор Линюан Кун (Lingyuan Kong).

Справка: Kong, L., Papaj, M., Kim, H. et al. Cooper-pair density modulation state in an iron-based superconductor. Nature (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-08703-x 

Източник: New superconducting state could aid search for room temperature superconductor, Сosmos magazine

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 !