Високотемпературен свръхпроводящ оксид без мед са открили физици от Сингапур

Професор Ариандо (Ariando) и д-р Стивън Лин Ер Чоу (Stephen Lin Er Chow) от катедрата по физика на Националния университет на Сингапур (NUS) са проектирали и синтезирали нов революционен материал - свръхпроводящ оксид без мед, способен да осъществява свръхпроводимост при приблизително 40 Келвина (K), или около минус 233°C, при атмосферно налягане.

Близо четири десетилетия след откриването на свръхпроводимостта на медните оксиди, за което през 1987 г. е присъдена Нобелова награда за физика, изследователите от NUS вече са идентифицирали друг високотемпературен свръхпроводим оксид, който разширява разбирането за неконвенционалната свръхпроводимост не само с медните оксиди.

Перспективите на свръхпроводниците

Съвременната електроника генерира топлина и консумира енергия по време на работа. Свръхпроводниците обаче притежават уникално свойство, известно като състояние на нулево съпротивление, което елиминира загубата на енергия поради електрическо съпротивление. На теория това ги прави идеални за съвременните електронни приложения, които отговарят на нарастващите енергийни нужди на света.

Въпреки откриването на хиляди свръхпроводящи материали, огромното мнозинство от тях функционират само при изключително ниски температури, близки до абсолютната нула (0 К), или около минус 273 °C, което ги прави непрактични за широка употреба.

Пробивът през 1987 г. с Нобелова награда

Преди близо 40 години физиците Йоханес Беднорц (Johannes Bednorz) и Карл Мюлер (Karl Müller) откриват нов клас свръхпроводници - медни оксиди, които проявяват свръхпроводимост при температури над 30 К, значително по-високи от всички известни дотогава свръхпроводници.

Това откритие, което им носи Нобелова награда за физика, поставя основите на изследванията на високотемпературната свръхпроводимост. И до днес медните оксиди остават единствените свръхпроводими оксиди, които функционират при температури над 30 К, или около минус 243 °C, при околно налягане, без да се налага компресиране на кристалната решетка.

Открития на свръхпроводящи оксиди и тяхната критична температура при атмосферно налягане. Кредит: National University of Singapore

Пробив отвъд медта

В поредица от изследвания професор Ариандо и д-р Чоу установяват пряка връзка между междуслойните взаимодействия в слоестите системи и температурите на свръхпроводимост.

Въз основа на това прозрение изследователите разработват феноменологичен модел, който предсказва няколко съединения, способни на високотемпературна свръхпроводимост, подобно на медните оксиди, но без мед.

Екипът успешно синтезира (Sm-Eu-Ca)NiO₂ никелов оксид, един от предсказаните материали, и потвърждава нулево електрическо съпротивление (свръхпроводимост) много над 30 К в това съединение. Пробивът в изследването е публикуван в Nature на 20 март 2025 г.

Д-р Чоу заявява:

"Както предвидихме и проектирахме, този свръхпроводящ оксид, който не е на медна основа, демонстрира високотемпературна свръхпроводимост при атмосферно налягане на морското равнище, без необходимост от допълнително компресиране - точно както медните оксиди. Това откритие предполага, че неконвенционалната високотемпературна свръхпроводимост не е присъща единствено на медта, а може да е по-широко разпространено свойство сред елементите в периодичната таблица."

"Това наблюдение има дълбоки последици както за теоретичното разбиране, така и за експерименталното реализиране на по-широк кръг свръхпроводими материали с практическо приложение в съвременната електроника", допълва професор Ариандо.

"За първи път след Нобеловото откритие е установено, че високотемпературен свръхпроводящ оксид без мед функционира при атмосферно налягане. Освен това този нов материал е изключително стабилен в условията на околната среда, което значително подобрява неговата достъпност."

Това откритие предизвика нарастващ интерес не само към самия материал, но и към по-широкия потенциал за нов клас високотемпературни свръхпроводници.

Как бе постигнато това

За да постигне това, групата на проф. Ариандо е разработила техника за топотактична редукция за трансформиране на тънки филми от редкоземен никелат (NdNiO₂) от неговата обичайна перовскитна кристална форма в нова легирана структурна форма като т.нар. "безкрайно-слоести структури". В този материал свръхпроводимостта възниква, когато никелатното съединение се легира с примеси от стронций (Sr) и съществува в своята безкрайнослойна структурна форма. Техниката позволява на изследователския екип да проучва свръхпроводимостта като свойство на покритието. Те конструират фазовата диаграма за тази материална система и откриха наличието на свръхпроводяща куполна област (зависима от покритието T_c) и слабо изолиращ режим отстрани на купола (вижте фигурата).

В своите експерименти изследователите са използвали импулсна лазерна техника за отлагане, за да синтезират тънки филми от никелат Nd_1-x Sr_x NiO₃ върху субстрати от стронциев титанат (SrTiO₃ ). Наложеният тънък филм, заедно с реагент, калциев хидрид (CaH₂), се поставя във вакуумна камера, за да се предизвика реакция на редукция. По време на процеса на редукция, апикалният кислороден атом в NiO₆ октаедрите се отстранява. Това кара перовскита Nd_1-x Sr_x NiO₃ да се трансформира в безкраен слой Nd_1-x Sr_x NiO₂ . Изследователите са приложили различни нива на концентрации на Sr я покритието и са установили, че свръхпроводимостта се появява в безкрайния слой Nd_1-x Sr_x NiO₂, когато съставът на Sr е между x = 0,135 и 0,235. Това образува свръхпроводяща куполообразна област. По-интересното е, че те откриват, че освен свръхпроводящата област, при ниски температури може да се наблюдава слабо изолиращо поведение. Това уникално поведение е различно от други високотемпературни материални системи като купратите.

(Горе) Фигурата показва трансформацията на перовскитната структура Nd_1-x Sr_x NiO₃ в безкрайнослойната структура Nd_1-x Sr_x NiO₂ с помощта на калциев хидрид (CaH₂). (Долу) Фигурата показва високоъгълно пръстеновидно тъмно полево сканиращо трансмисионно електронно микроскопско изображение (HAADF-STEM) и фазовата диаграма на безкраен слой Nd_1-x Sr_x NiO₂ филми върху монокристален SrTiO₃ субстрат. T_c90%R и Tc10_%R се определят като температурата, при която съпротивлението спада съответно до 90% и 10% от стойността при 15 K (началото на свръхпроводимостта). Вмъкването в левия горен ъгъл на диаграмата е зуумнат изглед на областта на свръхпроводящия купол. T_H показва температурата, при която повечето носители на заряд се променят от електрони в дупки. Кредит: Physical Review Letters

По-нататъшни изследвания и бъдещи последици

Изследователският екип продължава да проучва уникалните свойства на материала, изследвайки параметрите за настройка, като например изместване на електронната заетост и хидростатичното налягане. Тези усилия имат за цел да задълбочат разбирането на механизмите на високотемпературните свръхпроводници и да проправят пътя за синтезиране на по-обширна група свръхпроводници с още по-високи работни температури.

Друг участник в тази работа е Джъоян Луо (Zhaoyang Luo), докторант от NUS в изследователския екип, който демонстрира високата кристалност и чистофазовия характер на синтезирания материал с помощта на електронна микроскопия.

Този пробив представлява важна стъпка към разработването на свръхпроводящи материали от следващо поколение с практическо приложение в съвременната електроника и енергийно ефективните технологии.

Справка: S. Lin Er Chow et al, Bulk superconductivity near 40 K in hole-doped SmNiO₂ at ambient pressure, Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-08893-4

Източник: Physicists discover a copper-free high-temperature superconducting oxide, National University of Singapore

Още по темата

31/03/2025

Физика

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

10/03/2025

Физика

Фундаменталните ни константи са подходящи за свръхпроводници при стайна температура

24/02/2025

Физика

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

13/02/2025

Физика

Стабилизирани са свръхпроводящи състояния при нормално налягане