Рекордная сверхпроводимость при комнатном давлении впервые получена в лаборатории
Группа физиков под руководством Дэна Лянцзы и Чу Чинъу из Техасского центра сверхпроводимости при Хьюстонском университете совершила прорыв в области высокотемпературной сверхпроводимости. Исследователи впервые успешно стабилизировали при обычном атмосферном давлении сверхпроводящее состояние в керамическом соединении HgBa₂Ca₂Cu₃O₈₊δ (Hg1223), которое ранее существовало только под сверхвысоким давлением. Температура перехода в сверхпроводящее состояние достигла рекордных 151 кельвина (около минус 122 градусов по Цельсию), что на 18 градусов выше предыдущего рекорда для обычного давления, установленного ещё в 1993 году.
В основе открытия лежит оригинальный протокол закалки давлением, который авторы разработали специально для сохранения метастабильных фаз, возникающих при высоком давлении. Суть метода заключается в том, что образец сначала сжимают до десятков гигапаскалей при криогенных температурах, а затем резко сбрасывают давление, «замораживая» тем самым высокотемпературное сверхпроводящее состояние. В ходе экспериментов учёные опробовали разные режимы закалки и выяснили, что ключевыми параметрами являются величина давления, температура, при которой происходит сброс, и скорость снятия нагрузки. При закалке с 10–30 гигапаскалей при температуре 4,2 кельвина удалось стабильно получать образцы с температурой перехода 147–151 кельвин, тогда как повышение температуры закалки до 77 кельвинов снижало результат до 139 кельвинов.
Важно отметить, что исследователи подтвердили объёмный, а не поверхностный характер сверхпроводимости в полученных образцах. Измерения магнитного момента показали, что сверхпроводящая фаза занимает около 78 процентов объёма материала, что свидетельствует о массивности эффекта. Рентгеновская дифракция с использованием синхротронного излучения выявила, что кристаллическая структура Hg1223 после закалки не претерпевает фазового перехода, однако дифракционные пики заметно уширяются, что указывает на возникновение дефектов и внутренних напряжений. Именно эти дефекты, по мнению авторов, играют решающую роль в стабилизации метастабильного сверхпроводящего состояния при обычном давлении.
Полученные результаты открывают принципиально новые возможности для практического применения высокотемпературных сверхпроводников. До сих пор все рекордные достижения в этой области — вплоть до 260 кельвинов в гидридах лантана — требовали колоссальных давлений в сотни гигапаскалей, что делало их недоступными для реального использования. Новая методика позволяет переносить уникальные свойства материалов из экстремальных условий в обычную лабораторную среду, где их можно исследовать с помощью широкого спектра микроскопических методов, недоступных внутри камер высокого давления. Авторы подчёркивают, что протокол закалки давлением применим не только к сверхпроводникам, но и к другим квантовым состояниям, которые ранее существовали лишь под давлением.
В ходе работы исследователи также выяснили, что стабильность сохранённой сверхпроводящей фазы ограничена по времени и температуре. Образцы сохраняли свои свойства не менее трёх суток при хранении в жидком азоте (77 кельвинов), но нагрев выше 200 кельвинов приводил к постепенному снижению температуры перехода и, в конечном счёте, к возвращению материала в исходное состояние с Tс около 133 кельвинов. Это указывает на то, что закреплённое состояние является метастабильным и требует дальнейшей оптимизации условий для повышения его устойчивости. Учёные планируют провести детальные микроскопические исследования, чтобы выяснить роль кислородных вакансий и других дефектов в механизме стабилизации.
Теоретические расчёты, выполненные в рамках теории функционала плотности, показали, что в Hg1223 при давлении происходят изменения в электронной структуре, которые могут облегчать захват метастабильной сверхпроводящей фазы. Авторы предполагают, что ключевую роль играют так называемые особенности ван Хова в плотности электронных состояний, а также возможные изменения топологии поверхности Ферми. В сочетании с дефектами, генерируемыми в процессе закалки, эти аномалии создают энергетический барьер, препятствующий возврату системы в исходное состояние после снятия давления. Дальнейшие исследования с использованием сканирующей туннельной микроскопии и фотоэмиссионной спектроскопии с угловым разрешением должны пролить свет на микроскопическую природу этого эффекта.
Исследование в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.