Съкровището на р. Мияс в Русия - неконвенционален природен свръхпроводник

Ваня Милева Последна промяна на 18 март 2024 в 00:00 17875 0

Левитиращ свръхпроводник 

Кредит Wikimedia Commons
Левитиращ свръхпроводник 

Учени представиха първия неконвенционален свръхпроводник с химичен състав на минерал, който естествено се среща в земната кора. Наречен миасит, този минерал се присъединява към рядка група от само четири естествени вещества, способни да проявяват свръхпроводимост при лабораторни условия.

Според проучването на изследователския екип от Националната лаборатория Еймс в САЩ, публикувано в списанието Communication Materials.

Откритието е обещаващо за бъдещ напредък в достигането на отдавнашната мечта за свръхпроводимост - способността на материалите да провеждат електричество с нулево съпротивление - при стайна температура и налягане.

Скритото съкровище на природата

Свръхпроводниците притежават огромен потенциал в различни области, включително медицински изображения, предаване на енергия и квантови компютри, но малко са материалите, които притежават невероятната способност да пренасят ток без почти никакво съпротивление.

Конвенционалните свръхпроводници са добре проучени, но те обикновено имат критична температура много под стайната температура, по-близо до абсолютната нула. През 80-те години на миналия век учените се натъкват на неконвенционални свръхпроводници, които могат да се похвалят със значително по-високи критични температури. Те са предимно синтезирани в лабораторни условия.

"Трудно е да се намерят свръхпроводници в природата, защото повечето свръхпроводящи елементи и съединения са метали и са склонни да реагират с други елементи, като кислород", обяснява  д-р Руслан Прозоров (Ruslan Prozorov) от Държавния университет в Айова и учен от Националната лаборатория Еймс в САЩ.

Миаситът (Rh17S15) обаче оспорва идеята, че неконвенционалната свръхпроводимост е единствено резултат от синтезирани материали.

"Обикновено си мислим, че това е нещо, което се произвежда целенасочено и не може да съществува в природата", коментира физикът Руслан Прозоров. "Но се оказва, че е точно така."

Новаторски синтез

Д-р Пол Канфийлд (Paul Canfield), експерт по кристални материали в Държавния университет на Айова и лабораторията на Еймс синтезира висококачествени кристали миасит, които съчетават елемент с висока температура на топене (родий) с летлив елемент (сяра), преодолявайки много трудности при формирането на кристалите.

"Въпреки че миаситът е минерал, който е открит близо до река Миас в Челябинска област, Русия, той е рядък и обикновено не расте като добре оформени кристали", коментира Канфийлд.

"Противно на естеството на чистите елементи, ние усвояваме използването на съединения от тези елементи, които позволяват растеж на кристали при ниска температура с минимално налягане. Това е като да намериш скрита дупка за риболов, която е пълна с големи тлъсти риби", обяснява физикът Пол Канфийлд.

Кристал на миасит, синтезиран в лаборатория. Кредит: Paul Canfield

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.

Тестове, показващи, че това е неконвенционален свръхпроводник

Чрез иновативни подходи, екипът на Канфийлд преодолява техническите препятствия, проправяйки пътя за откриването на три нови свръхпроводника в системата Rh-S. Строги измервания, проведени от групата на Прозоров, използвайки усъвършенствани техники при ултраниски температури, потвърждава нетрадиционната свръхпроводимост на миасита.

Един от тези тестове е "дълбочината на проникване на Лъндън", която определя колко дълбоко спрямо повърхността прониква слабо магнитно поле в свръхпроводника. Миаситът показа дълбочина, варираща линейно с температурата, поведение, характерно за неконвенционалните свръхпроводници.

Друг тест, който екипът извършва, е въвеждането на дефекти в материала. Прозоров съобщава, че този тест е характерна техника, която екипът му е използвал през последното десетилетие. Той включва бомбардиране на материала с високоенергийни електрони. Този процес нокаутира йони от техните позиции, като по този начин създава дефекти в кристалната структура. Това нарушение в кристалната решетка може да причини промени в критичната температура на материала.

Конвенционалните свръхпроводници не са чувствителни към немагнитни дефекти, така че този тест би трябвало да покаже никаква или много малка промяна в критичната температура.

Неконвенционалните свръхпроводници имат висока чувствителност към нарушения в кристалната решетка и въвеждането на дефекти променя или потиска критичната температура. Освен това влияе върху критичното магнитно поле на материала. При миасита екипът установява, че както критичната температура, така и критичното магнитно поле се държат, както е предвидено за неконвенционалните свръхпроводници.

Значението на миасита се простира отвъд присъщите му свойства.

Неконвенционалните свръхпроводници може да са сложни, но са и интересни, защото обещават да отключат нови открития във физиката и нови приложения на свръхпроводниковите технологии.

"Разкриването на механизмите зад неконвенционалната свръхпроводимост е от ключово значение за икономически обоснованите приложения на свръхпроводниците", заявява Прозоров.

Разгадаването на загадката на свръхпроводимостта на миасита може потенциално да ни отведе по-близо до икономически ефективни свръхпроводници.

Справка: Hyunsoo Kim et al, Nodal superconductivity in miassite Rh17S15, Communications Materials (2024). DOI: 10.1038/s43246-024-00456-w

Източници:

Scientists reveal the first naturally grown unconventional superconductor, Interesting Engineering

Scientists reveal the first unconventional superconductor that can be found in mineral form in nature, Ames National Laboratory

Scientists Identify The World's First 'Unconventional' Superconductor Found in Nature, ScienceAlert

Свръхпроводимост и ефект на Майснер

Свръхпроводимостта, открита за пръв път през 1911 г., когато физикът Хайке Камерлинг Онес забелязва нещо любопитно - че живачен проводник, охладен до около -269°C, не оказва съпротивление на електрическия поток.

Обикновено потокът от електрически ток се сблъсква с известна степен на съпротивление - както, ако поставим камъни в река, се забавя скоростта ѝ или както въздушното съпротивление забавя скоростта на движещ се обект, например.

Колкото по-висока е проводимостта на материала, толкова по-малко е електрическото му съпротивление, а токът може да протича по-свободно.

Но при ниски температури в някои материали се случва нещо странно. Съпротивлението намалява до нула, а токът преминава безпрепятствено. Възниква ефектът на Майснер - магнитните полета на материала изчезват от вътрешността на проводника, след като премине под определена критична температура. Това състояние се нарича свръхпроводимост.

В рамките на няколко години е установено, че материали като оловото и сплавите на ниобий и калай също са свръхпроводими при изключително ниски температури, а Камерлинг Онес получава Нобелова награда за физика.

Ефектът на Майснер. Wikimedia Common

Изследователите започват да разбират по-добре как работят свръхпроводниците през 50-те години на ХХ век, когато американските физици Джон Бардън, Леон Купър и Джон Робърт Шрайфър разработват теория за това какво се случва във вътрешността на тези материали, когато се охлаждат драстично. Тяхната така наречена BCS теория - съкращение от Bardeen, Cooper и Schrieffer - гласи, че в свръхпроводниците електроните образуват двойки по такъв начин, че могат да пренасят електричество, без да срещат съпротивление. Това решаващо сдвояване на електрони се случва поради вибрациите в решетката на атомите, които изграждат материала, но те престават да го стимулират над около -233°C.

Теорията BCS донесе на авторите си и Нобелова награда за физика, но свръхпроводниците изглеждаха възможни само при изключително мощни хладилници, които изискват скъп течен хелий. Това се променя през 1987 г., когато изследователите откриват свръхпроводник, който съдържа мед и работи при -196°C. Последвалите експерименти в крайна сметка повишават температурата на свръхпроводимост до -140°C.

Така наречената свръхпроводимост при стайна температура, над 0 градуса по Целзий, е нещо като "Свещеният Граал" за учените. Ако може да се постигне, това ще направи революция в електрическата ефективност, значително ще подобри функционирането на енергийните мрежи, високоскоростния трансфер на данни и електрическите мотори.

Така че това е нещо, върху което работят много лаборатории по света, с нови твърдения, че са постигнали високотемпературна свръхпроводимост, от време на време, които след това не успяват да преминат тестовете за възпроизводимост.

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 !