Сверхпроводники стали еще на один шаг ближе к практическому использованию благодаря новой работе физиков Колумбийского университета, которая может открыть технологическое будущее для беспроводной зарядки автомобилей, эффективной передачи энергии и экспоненциально быстрых компьютеров благодаря более эффективному переносу электронов.
В настоящее время большинство технологий полагаются на полупроводники для передачи энергии в микросхемах, транзисторах и диодах, которые подвержены потерям энергии и имеют низкую скорость передачи. Сверхпроводники обеспечивают почти идеальную передачу энергии без потерь, но остаются недоступными для повседневного использования из-за необходимости использования экстремального холода или давления и неполного понимания учеными их рабочих свойств.
Исследователи определили, что некоторые чистые элементы, а именно свинец, олово и алюминий, являются сверхпроводниками, а также экзотические соединения, такие как ниобий-титан. Однако условия холода или высокого давления, необходимые для работы этих материалов в качестве сверхпроводников, привели к тому, что они используются лишь в нескольких реальных приложениях, включая аппараты МРТ и ускорители частиц.
Даже в этих немногих случаях сверхпроводники остаются дорогостоящими и сложными в работе. Непонимание физиками принципа работы сверхпроводников затрудняет разработку материалов, сохраняющих сверхпроводящие свойства при более низкой цене и простоте использования, что повышает их практичность.
До того как команда из Колумбийского университета начала свои исследования, физик Пабло Харилло-Эррера, ранее работавший в Массачусетском технологическом институте, провел новаторские исследования сверхпроводников, которые вдохновили команду. Харилло-Эррера изучал новый материал графен, состоящий из одного слоя атомов углерода. Исследователь обнаружил, что, укладывая графен в два или три слоя и затем точно скручивая листы, он может наделить вещество сверхпроводимостью. «Важным вопросом было, возникает ли сверхпроводимость из-за уникальных свойств графена или ее можно вызвать, скручивая любую комбинацию двумерных материалов», — говорит физик из Колумбийского университета Кори Р. Дин.
Дин возглавил колумбийскую команду в их работе над сверхпроводниками, продолжив исследования графена и сосредоточившись на соединении диселенида вольфрама с 2020 года. Исследователи изменили кристаллическую структуру материала, нарезав его на листы толщиной в один или два атома, а затем проведя точные манипуляции с этими листами. В результате своих усилий команда получила сверхпроводимость, индуцированную в материале с помощью наноразмерных модификаций, продемонстрировав полезность двумерных материалов, сложенных с небольшим несоответствием решетки, для повышения проводимости. Полученные результаты дают необходимые знания для развития этого свойства в будущем материаловедении.
Хотя команда работает уже полдесятка лет, они только недавно обнаружили точный процесс вызывания сверхпроводимости. Команда приложила два листа друг к другу, повернула один лист на пять градусов и завершила процесс охлаждением материала до температуры на полградуса выше абсолютного нуля. В ходе испытаний двухлистовая конструкция передавала электроны на порядки быстрее, чем стандартные проводники.
Несмотря на значительный прогресс в создании сверхпроводимости, который представляет собой данная работа, многое еще предстоит сделать. Экстремальные требования к охлаждению графена и диселенида вольфрама делают их маловероятными для замены сверхпроводников, используемых в аппаратах МРТ и других приложениях. Тем не менее, эта работа представляет собой большой шаг вперед в понимании происходящих явлений, что может привести к созданию более широко полезных сверхпроводников.
«Разработка сверхпроводника, работающего при комнатной температуре, — это действительно мечта», — говорит Дин. «Наше открытие вполне может стать тем ключом, который сделает эту мечту реальностью».