Ученые нашли механизм, который позволяет некоторым металлам становиться сверхпроводниками.
Сверхпроводящие материалы незаменимы в таких современных устройствах, как аппараты МРТ и ускорители частиц, но эти материалы дороги и привередливы, поэтому ученые уже давно ищут альтернативные материалы. Ситуация может измениться благодаря команде Массачусетского технологического института, которая сообщила об открытии механизма, позволяющего некоторым материалам становиться сверхпроводниками.
Сверхпроводники получили свое название благодаря тому, что они очень хорошо проводят электроны и не имеют электрического сопротивления. Большинство сверхпроводников работают только в очень специфических условиях, таких как экстремально низкие температуры. Сверхпроводники при комнатной температуре существуют, но они редки и обычно имеют свои собственные недостатки.
Исследование, возглавляемое физиком из Массачусетского технологического института Риккардо Комином, направлено на то, чтобы понять, как материалы с электрическим сопротивлением становятся сверхпроводниками. Это почти как нажатие выключателя: в одну минуту у вас есть обычный кусок металла, а затем сопротивление падает до нуля, и электроны могут двигаться свободно. Это не магия, а наука, стоящая за этим «нематическим переходом» и она очень сложная.
Это металлическое изделие демонстрирует сверхпроводимость при комнатной температуре, когда его сдавливают между двумя алмазными наковальнями.
В прошлых экспериментах со сверхпроводниками физики наблюдали нематичность или скоординированный сдвиг атомных состояний. В результате сильного взаимодействия между электронами материал растягивается в микроскопических масштабах, что, в свою очередь, позволяет электронам двигаться в этом направлении. Ученые предполагали, что магнитное вращение сверхпроводящих материалов может быть механизмом нематичности, но тут появился селенид железа. Исследователи сосредоточились на этом материале, потому что он переходит в сверхпроводник при более высоких температурах в отличии от других сверхпроводников на основе железа, но не обладает какими-либо выраженными магнитными свойствами.
Эксперимент состоял в прикреплении полосок селенида железа к кусочкам титана. Титан служил каркасом, позволяя ученым механически растягивать селенид железа, чтобы имитировать растяжение, наблюдаемое во время нематического перехода. Команда проверяла образцы на доли микрометра, сканируя образцы селенида железа с помощью высокоэнергетического рентгеновского излучения в поисках любого намека на переход в сверхпроводящее состояние.
В конце концов, образцы селенида железа смогли удивить исследователей. В молекулах этого материала есть две электронные орбитали, и электроны обычно появляются в них случайным образом. Однако по мере растяжения металла атомы начали смещаться, предпочитая одну орбиталь другой. Изменения были ошеломляющими и повторялись по всему образцу, что позволило выявить новый механизм нематичности.
"Мы показали, что существует другая физика, лежащая в основе спиновой и орбитальной нематичности, и существует целый континуум материалов, которые находятся между этими двумя механизмами", - говорит соавтор исследования Коннор Оккиалини. Этот континуум может помочь ученым разработать новые сверхпроводники с более полезными свойствами".